KR20240072155A - 이온생성장치 및 이온주입장치 - Google Patents

Abstract

이온생성장치(10)는, 아크챔버(50)와, 아크챔버(50)의 내부공간(S)에 있어서 축방향으로 인가되는 자장(B)을 생성하는 자장생성기(52)와, 아크챔버(50)의 내부를 향하여 축방향으로 돌출되고, 내부공간(S)을 향하여 열전자를 방출하는 제1 캐소드캡(72)과, 제1 캐소드캡(72)의 직경방향 외측에 있어서 축방향으로 통형상으로 뻗으며, 제1 캐소드캡(72)과 축방향으로 직교하는 직경방향으로 간극을 두고 이웃하는 제1 연장부와, 아크챔버의 내부를 향하여 돌출되는 제1 선단부와, 제1 선단부에 있어서 축방향으로 개구되는 제1 선단개구를 포함하는 제1 서멀실드(76)를 구비한다. 제1 선단개구에 있어서의 직경방향의 제1 개구폭은, 제1 캐소드캡(72)의 직경방향의 최대폭보다 작다.

Description

이온생성장치 및 이온주입장치

본 개시는, 이온생성장치 및 이온주입장치에 관한 것이다.

반도체제조공정에서는, 반도체의 도전성을 변화시키는 목적, 반도체의 결정구조를 변화시키는 목적 등을 위하여, 반도체웨이퍼에 이온을 주입하는 공정이 표준적으로 실시되고 있다. 이 공정에서 사용되는 장치는, 일반적으로 이온주입장치라고 불린다. 이와 같은 이온주입장치에서는, 간접가열형의 캐소드(IHC; Indirectly Heated Cathode)와, 아크챔버를 구비한 이온생성장치에 의하여 이온이 생성된다. 생성된 이온은, 인출전극을 통하여 아크챔버의 외부로 인출된다.

일본 공개특허공보 특개2016-225139호

최근, 웨이퍼표면의 보다 깊은 영역에 이온을 주입하기 위하여, 고에너지이온빔의 생성이 요구되는 것이 증가하고 있다. 고에너지이온빔을 생성하기 위해서는, 이온생성장치에서 다가이온을 생성하고, 생성된 다가이온을 직류가속기구나 고주파가속기구(예를 들면 선형가속기구)를 이용하여 가속하는 것이 유효하다. 이온생성장치에서 충분한 양의 다가이온을 생성하는 경우에는, 아크전압이나 아크전류를 보다 크게 한 고(高)아크조건으로 할 필요가 있어, 아크챔버의 손모가 보다 현저해질 수 있다. 이와 같은 고아크조건하에서는, 이온생성장치의 수명이 짧아져, 이온주입장치의 생산성의 저하로 이어진다.

본 개시는, 저(低)아크조건에 있어서, 보다 많은 다가이온을 생성 가능한 이온생성장치를 제공하는 것에 있다.

본 개시의 일 양태의 이온생성장치는, 내부공간을 갖고, 내부공간에서 생성되는 플라즈마로부터 이온빔을 인출하기 위한 프런트슬릿을 갖는 아크챔버와, 내부공간에 있어서 축방향으로 인가되는 자장을 생성하는 자장생성기와, 아크챔버의 내부를 향하여 축방향으로 돌출되고, 내부공간을 향하여 열전자를 방출하는 제1 캐소드캡과, 제1 캐소드캡을 가열하는 제1 가열원과, 제1 캐소드캡의 직경방향 외측에 있어서 축방향으로 통형상으로 뻗어 있으며, 제1 캐소드캡과 축방향과 직교하는 직경방향으로 간극을 두고 이웃하는 제1 연장부와, 아크챔버의 내부를 향하여 돌출되는 제1 선단부와, 제1 선단부에 있어서 축방향으로 개구되는 제1 선단개구를 포함하는 제1 서멀실드를 구비한다. 제1 선단개구에 있어서의 직경방향의 제1 개구폭은, 제1 캐소드캡의 직경방향의 최대폭보다 작다.

본 개시의 다른 양태는, 이온주입장치이다. 이온주입장치는, 일 양태의 이온생성장치와, 이온생성장치로부터 인출되는 이온빔을 가속시키는 빔가속장치와, 빔가속장치로부터 출력되는 이온빔이 웨이퍼에 조사되는 주입처리실을 구비한다.

또한, 이상의 구성요소의 임의의 조합이나 본 개시의 구성요소나 표현을, 방법, 장치, 시스템 등의 사이에서 서로 치환한 것도 또한, 본 개시의 양태로서 유효하다.

본 개시의 한정적이지 않은 예시적인 실시형태에 의하면, 보다 낮은 아크조건에 있어서, 보다 많은 다가이온을 생성 가능한 이온생성장치를 제공할 수 있다.

도 1은 실시형태에 관한 이온주입장치의 개략구성을 나타내는 상면도이다.
도 2는 제1 실시형태에 관한 이온생성장치의 개략구성을 나타내는 단면도이다.
도 3은 제1 실시형태에 관한 제1 캐소드의 구성을 상세하게 나타내는 단면도이다.
도 4는 도 3의 제1 캐소드를 축방향으로 보았을 때의 구성을 나타내는 평면도이다.
도 5의 (a), (b)는, 제1 실시형태의 변형예에 관한 제1 캐소드의 구성을 모식적으로 나타내는 단면도이다.
도 6의 (a), (b)는, 제1 실시형태의 변형예에 관한 제1 캐소드의 구성을 모식적으로 나타내는 단면도이다.
도 7의 (a), (b)는, 제1 실시형태의 변형예에 관한 제1 캐소드의 구성을 모식적으로 나타내는 단면도이다.
도 8의 (a), (b)는, 제1 실시형태의 변형예에 관한 제1 캐소드의 구성을 모식적으로 나타내는 단면도이다.
도 9의 (a), (b)는, 제1 실시형태의 변형예에 관한 제1 캐소드의 구성을 모식적으로 나타내는 단면도이다.
도 10의 (a), (b)는, 제1 실시형태의 변형예에 관한 제1 캐소드의 구성을 모식적으로 나타내는 단면도이다.
도 11의 (a)~(o)는, 제1 실시형태의 변형예에 관한 제1 캐소드캡의 형상을 모식적으로 나타내는 단면도이다.
도 12는 제2 실시형태에 관한 제1 캐소드의 구성을 상세하게 나타내는 단면도이다.
도 13의 (a)~(c)는, 제2 실시형태의 변형예에 관한 제1 캐소드의 구성을 모식적으로 나타내는 단면도이다.
도 14의 (a)~(c)는, 제2 실시형태의 변형예에 관한 제1 캐소드의 구성을 모식적으로 나타내는 단면도이다.
도 15의 (a), (b)는, 제2 실시형태의 변형예에 관한 제1 캐소드의 구성을 모식적으로 나타내는 단면도이다.
도 16의 (a), (b)는, 제2 실시형태의 변형예에 관한 제1 캐소드의 구성을 모식적으로 나타내는 단면도이다.
도 17은 제3 실시형태에 관한 제1 캐소드의 구성을 상세하게 나타내는 단면도이다.
도 18의 (a), (b)는, 제3 실시형태의 변형예에 관한 제1 캐소드의 구성을 모식적으로 나타내는 단면도이다.
도 19는 제4 실시형태에 관한 제1 캐소드의 구성을 상세하게 나타내는 단면도이다.
도 20은 제4 실시형태의 변형예에 관한 제1 캐소드의 구성을 상세하게 나타내는 단면도이다.
도 21은 제5 실시형태에 관한 이온생성장치의 개략구성을 나타내는 단면도이다.
도 22는 제5 실시형태에 관한 리펠러의 구성을 상세하게 나타내는 단면도이다.
도 23은 제5 실시형태의 변형예에 관한 리펠러의 구성을 상세하게 나타내는 단면도이다.
도 24는 제6 실시형태에 관한 리펠러의 구성을 상세하게 나타내는 단면도이다.
도 25는 제6 실시형태의 변형예에 관한 리펠러의 구성을 상세하게 나타내는 단면도이다.
도 26은 제7 실시형태에 관한 리펠러의 구성을 상세하게 나타내는 단면도이다.
도 27은 제8 실시형태에 관한 리펠러의 구성을 상세하게 나타내는 단면도이다.
도 28은 제9 실시형태에 관한 이온생성장치의 개략구성을 나타내는 단면도이다.
도 29는 제10 실시형태에 관한 이온생성장치의 개략구성을 나타내는 단면도이다.

이하, 도면을 참조하면서, 실시형태에 관한 이온생성장치 및 이온주입장치를 상세하게 설명한다. 또한, 도면의 설명에 있어서 동일한 요소에는 동일한 부호를 붙이고, 중복되는 설명을 적절히 생략한다. 또, 이하에 설명하는 구성은 예시이며, 본 개시의 범위를 결코 한정하는 것은 아니다.

도 1은, 실시형태에 관한 이온주입장치(100)의 개략구성을 나타내는 상면도이다. 이온주입장치(100)는, 이른바 고에너지이온주입장치이다. 이온주입장치(100)는, 이온생성장치(10)에서 발생시킨 이온을 인출하여 가속함으로써 이온빔(IB)을 생성하고, 이온빔(IB)을 빔라인을 따라 피처리물(예를 들면 기판 또는 웨이퍼(W))까지 수송하여, 피처리물에 이온을 주입한다.

이온주입장치(100)는, 이온을 생성하여 질량분리하는 빔생성유닛(12)과, 이온빔(IB)을 더 가속하여 고에너지이온빔으로 하는 빔가속유닛(14)과, 고에너지이온빔의 에너지분석, 에너지분산의 제어 및 궤도보정을 행하는 빔편향유닛(16)과, 고에너지이온빔을 웨이퍼(W)까지 수송하는 빔수송유닛(18)과, 고에너지이온빔을 웨이퍼(W)에 주입하는 기판반송처리유닛(20)을 구비한다.

빔생성유닛(12)은, 이온생성장치(10)와, 인출전극(11)과, 질량분석장치(22)를 갖는다. 빔생성유닛(12)에서는, 이온생성장치(10)로부터 인출전극(11)을 통하여 이온이 인출됨과 동시에 가속되고, 인출가속된 이온빔은 질량분석장치(22)에 의하여 질량분석된다. 질량분석장치(22)는, 질량분석자석(22a), 질량분석슬릿(22b)을 갖는다. 질량분석장치(22)에 의한 질량분석의 결과, 주입에 필요한 이온종이 선별되고, 선별된 이온종의 이온빔은, 다음의 빔가속유닛(14)으로 유도된다.

빔가속유닛(14)은, 이온빔의 가속을 행하는 복수의 선형가속장치, 즉, 하나 이상의 고주파공진기를 구비하고 있다. 빔가속유닛(14)은, 고주파(RF)전기장의 작용에 의하여 이온을 가속하는 고주파가속기구이다. 빔가속유닛(14)은, 기본적인 복수단의 고주파공진기를 구비하는 제1 선형가속기(15a)와, 초고에너지이온주입용의 추가의 복수단의 고주파공진기를 구비하는 제2 선형가속기(15b)를 구비한다. 빔가속유닛(14)에 의하여 가속된 이온빔은, 빔편향유닛(16)에 의하여 방향이 변화된다.

빔가속유닛(14)으로부터 출사되는 고에너지이온빔은, 소정 범위의 에너지분포를 갖고 있다. 이 때문에, 빔가속유닛(14)의 하류에서 고에너지의 이온빔을 왕복주사 및 평행화시켜 웨이퍼에 조사하기 위해서는, 사전에 높은 정밀도의 에너지분석, 에너지분산의 제어, 궤도보정 및 빔의 수렴/발산의 조정을 실시해 두는 것이 필요해진다.

빔편향유닛(16)은, 고에너지이온빔의 에너지분석, 에너지분산의 제어, 궤도보정을 행한다. 빔편향유닛(16)은, 적어도 2개의 고정밀도편향전자석과, 적어도 1개의 에너지폭제한슬릿과, 적어도 1개의 에너지분석슬릿과, 적어도 1개의 횡수렴기기를 구비한다. 복수의 편향전자석은, 고에너지이온빔의 에너지분석과, 웨이퍼(W)에 대한 이온주입각도의 정밀한 보정을 행하도록 구성되어 있다.

빔편향유닛(16)은, 에너지분석전자석(24)과, 에너지분산을 억제하는 횡수렴사중극렌즈(26)와, 에너지분석슬릿(28)과, 스티어링(이온빔의 궤도보정)을 제공하는 편향전자석(30)을 갖는다. 또한, 에너지분석전자석(24)은, 에너지필터전자석(EFM)으로 불리는 경우도 있다. 고에너지이온빔은, 빔편향유닛(16)에 의하여 방향전환되어, 웨이퍼(W)가 위치하는 방향으로 향한다.

빔수송유닛(18)은, 빔편향유닛(16)으로부터 나온 이온빔(IB)을 수송하는 빔라인장치이며, 수렴/발산렌즈군으로부터 구성되는 빔정형기(32)와, 빔주사기(34)와, 빔평행화기(36)와, 최종에너지필터(38)(최종에너지분리슬릿을 포함한다)를 갖는다. 빔수송유닛(18)의 길이는, 빔생성유닛(12)과 빔가속유닛(14)을 합계한 길이에 맞추어 설계되어 있다. 빔가속유닛(14) 및 빔수송유닛(18)은, 빔편향유닛(16)에 의하여 연결됨으로써, 전체적으로 U자형상의 레이아웃을 형성한다.

빔수송유닛(18)의 하류측의 종단에는, 기판반송처리유닛(20)이 마련된다. 기판반송처리유닛(20)은, 주입처리실(42)과, 기판반송부(44)를 포함한다. 주입처리실(42)에는, 이온주입 중의 웨이퍼(W)를 보유 지지하고, 웨이퍼(W)를 빔주사방향과 직교하는 방향으로 이동시키는 플래튼구동장치(40)가 마련된다. 기판반송부(44)에는, 이온주입 전의 웨이퍼(W)를 주입처리실(42)에 반입하고, 이온주입제의 웨이퍼(W)를 주입처리실(42)로부터 반출하기 위한 반송로봇 등의 웨이퍼반송기구가 마련된다.

이온생성장치(10)는, 예를 들면, 붕소(B), 인(P) 또는 비소(As) 등의 도펀트의 다가이온을 생성하도록 구성된다. 빔가속유닛(14)은, 이온생성장치(10)로부터 인출되는 다가이온을 가속시켜, 1MeV 이상, 4MeV 이상 또는 12MeV 이상의 고에너지이온빔을 생성한다. 다가이온(예를 들면 2가, 3가, 4가 이상)을 가속시킴으로써, 1가의 이온을 가속시키는 경우에 비하여 보다 고에너지의 이온빔을 생성할 수 있다.

빔가속유닛(14)은, 도시하는 바와 같은 2단식의 선형가속장치가 아니라, 전체가 하나의 선형가속장치로서 구성되어도 되고, 3단 이상의 선형가속장치로 나누어져 실장되어도 된다. 또, 빔가속유닛(14)이 다른 임의의 형식의 가속장치로 구성되어도 되고, 예를 들면 직류가속기구를 구비해도 된다. 본 실시형태는, 특정 이온가속방식에는 한정되지 않고, 1MeV 이상, 4MeV 이상 또는 12MeV 이상의 고에너지이온빔을 생성 가능하면 임의의 빔가속장치를 채용할 수 있다.

고에너지의 이온주입에 의하면, 1MeV 미만의 에너지의 이온주입에 비하여 보다 고에너지로 원하는 도펀트이온이 웨이퍼표면에 주입되므로, 웨이퍼표면의 보다 깊은 영역(예를 들면 깊이 5μm 이상)에 원하는 도펀트를 주입할 수 있다. 고에너지이온주입의 용도는, 예를 들면, 최신의 이미지센서 등의 반도체디바이스제조에 있어서의 P형 영역 및/또는 N형 영역의 형성이다.

또한, 본 개시의 이온주입장치(100)의 각부(各部)의 구성에 대해서는, 다양한 양태를 생각할 수 있다. 본 개시의 이온주입장치는, 후술하는 이온생성장치를 적용할 수 있는 것이면, 이온생성장치 이외의 다른 각부의 구성의 양태에 의하여 한정되는 것은 아니다. 또, 본 개시의 이온생성장치 및 이온주입장치는, 다가이온으로 구성되는 이온빔의 생성에 적합하지만, 1가이온으로 구성되는 이온빔의 생성에도 적용 가능함을 유의하기 바란다.

본 실시형태에 관한 이온생성장치(10)는, 아크챔버의 내부공간에서 아크방전을 발생시켜, 다가이온을 포함하는 플라즈마를 생성한다. 이온생성장치(10)는, 이른바 간접가열형캐소드를 이용하는 형식이며, 캐소드캡으로부터 방출되는 열전자를 소스가스에 충돌시켜 플라즈마를 생성한다. 일반적으로, 소스가스에 포함되는 원자로부터 보다 많은 전자를 박리하여 다가이온을 생성하기 위해서는, 아크전압이나 아크전류를 보다 크게 한 고아크조건으로 할 필요가 있다. 이와 같은 고아크조건에서는, 아크챔버의 손모가 심해져, 이온생성장치의 수명이 짧아지기 때문에, 빈번하게 장치를 메인터넌스할 필요가 발생한다. 그 결과, 이온주입장치(100)의 가동률이 저하되어, 반도체 디바이스의 생산 효율이 저하되어 버린다.

그래서, 본 실시형태에서는, 보다 많은 다가이온을 저아크조건에서 생성 가능한 이온생성장치를 제공한다. 여기에서 표현되는 "저아크조건"이란, 종래의 이온생성장치에 있어서 다가이온을 생성하기 위하여 필요한 "고아크조건"보다 아크전압이나 아크전류가 상대적으로 낮은 아크조건을 말한다. 본 실시형태에서는, 이하의 특징 (1)~(7) 중 적어도 하나를 채용함으로써, 저아크조건이어도 고밀도의 플라즈마가 효율적으로 생성되도록 하고, 고밀도의 플라즈마로부터 보다 많은 다가이온이 인출되는 것이 가능해지도록 한다.

(1) 캐소드캡의 주위에 마련되는 서멀실드를 이용하여, 캐소드캡으로부터 아크챔버의 내부공간을 향하여 열전자가 방출되는 범위를 좁게 한다.

(2) 캐소드캡의 주위에 복수의 서멀실드를 마련하고, 캐소드캡의 온도상승을 촉진한다.

(3) 캐소드캡의 주위에 마련되는 서멀실드에 열전자를 인출하기 위한 전압을 인가한다.

(4) 리펠러헤드의 주위에 하나의 서멀실드를 마련하고, 리펠러헤드의 온도상승을 촉진한다.

(5) 리펠러헤드의 주위에 마련되는 서멀실드를 이용하여, 리펠러헤드로부터 아크챔버의 내부공간을 향하여 열전자가 방출되는 범위를 좁게 한다.

(6) 리펠러헤드의 주위에 복수의 서멀실드를 마련하고, 리펠러헤드의 온도상승을 더 촉진한다.

(7) 리펠러헤드의 주위에 마련되는 서멀실드에 열전자를 인출하기 위한 전압을 인가한다.

(제1 실시형태)

도 2는, 제1 실시형태에 관한 이온생성장치(10)의 개략구성을 나타내는 도이다. 이온생성장치(10)는, 아크챔버(50)와 자장생성기(52)와, 제1 캐소드(54)와, 리펠러(56)과, 제1 필라멘트전원(58a)과, 제1 캐소드전원(58b)과, 제1 아크전원(58c)과, 인출전원(58d)과, 리펠러전원(58e)을 구비한다.

이온생성장치(10)의 근방에는, 아크챔버(50)의 프런트슬릿(60)을 통하여 이온빔(IB)을 인출하기 위한 인출전극(11)이 배치된다. 인출전극(11)은, 제1 인출전극(11a)과, 제2 인출전극(11b)을 구비한다. 제1 인출전극(11a)은, 서프레션전원(11c)에 접속되고, 마이너스의 서프레션전압이 인가된다. 제2 인출전극(11b)에는, 그라운드전압이 인가된다. 아크챔버(50)에는, 인출전원(58d)이 접속되고, 플러스의 인출전압이 인가된다.

아크챔버(50)는, 플라즈마가 생성되는 내부공간(S)을 갖는다. 아크챔버(50)는, 내부공간(S)을 구획하는 대략 직육면체의 상자형상을 갖는다. 아크챔버(50)는, 내부공간(S)에서 생성되는 플라즈마로부터 이온빔(IB)을 인출하기 위한 프런트슬릿(60)을 갖는다. 프런트슬릿(60)은, 제1 캐소드(54)로부터 리펠러(56)를 향하는 방향(축방향이라고도 한다)으로 뻗는 가늘고 긴 형상을 갖고 있다. 도면에 있어서, 고밀도의 플라즈마가 생성되는 플라즈마생성영역(P)을 파선으로 모식적으로 나타내고 있다.

아크챔버(50)는, 전면벽(50a) 및 배면벽(50b)을 포함하는 4개의 측벽과, 제1 단벽(端壁)(50c) 및 제2 단벽(50d)을 갖는다. 전면벽(50a)은, 프런트슬릿(60)을 갖는다. 전면벽(50a)의 중앙부에는, 아크챔버(50)의 내부를 향하여 돌출되는 돌출부(50e)가 마련되고, 돌출부(50e)에 프런트슬릿(60)이 형성된다. 돌출부(50e)에 프런트슬릿(60)을 형성함으로써, 보다 고밀도의 플라즈마로부터 이온빔(IB)을 인출할 수 있다. 배면벽(50b)은, 내부공간(S)을 사이에 두고 전면벽(50a)과 대향한다. 배면벽(50b)에는, 소스가스를 도입하기 위한 가스도입구(62)가 마련된다. 제1 단벽(50c) 및 제2 단벽(50d)은, 내부공간(S)을 사이에 두고 축방향으로 대향하도록 배치된다. 제1 단벽(50c)은, 축방향으로 뻗어 있는 제1 캐소드삽통구멍(50f)을 갖는다. 제2 단벽(50d)은, 축방향으로 뻗어 있는 리펠러삽통구멍(50g)을 갖는다.

아크챔버(50)는, 고융점재료로 구성되고, 예를 들면, 텅스텐 (W), 몰리브데넘 (Mo), 탄탈럼 (Ta) 등의 고융점금속 또는 그들의 합금이 이용된다. 아크챔버(50)의 일부 또는 전체는, 그래파이트 (C)로 구성되어도 된다. 예를 들면, 전면벽(50a) 또는 돌출부(50e)가 그래파이트로 구성되고, 전면벽(50a) 또는 돌출부(50e) 이외의 측벽(예를 들면, 배면벽(50b)), 제1 단벽(50c) 및 제2 단벽(50d)이 텅스텐 등의 고융점금속으로 구성되어도 된다.

자장생성기(52)는, 아크챔버(50)의 외부에 마련되고, 아크챔버(50)의 내부공간(S)에 있어서 축방향으로 인가되는 자장(B)을 생성한다. 자장생성기(52)는, 제1 자극(52a) 및 제2 자극(52b)을 갖고, 예를 들면, 제1 자극(52a)으로부터 제2 자극(52b)을 향하는 축방향의 자장(B)을 생성한다. 자장(B)의 방향은, 역방향이어도 되고, 제2 자극(52b)으로부터 제1 자극(52a)을 향하는 방향이어도 된다. 아크챔버(50)는, 제1 자극(52a)과 제2 자극(52b)의 사이에 배치된다.

제1 캐소드(54)는, 아크챔버(50)의 내부공간(S)에 열전자를 공급한다. 제1 캐소드(54)는, 제1 캐소드삽통구멍(50f)에 삽통되고, 아크챔버(50)와 전기적으로 절연된 상태에서 제1 캐소드지지부재(64)에 고정된다. 제1 캐소드지지부재(64)는, 아크챔버(50)의 외부에 마련된다. 제1 캐소드(54)는, 제1 가열원(70)과, 제1 캐소드캡(72)과, 제1 서멀브레이크(74)와, 제1 서멀실드(76)를 포함한다.

제1 가열원(70)은, 제1 캐소드캡(72)을 가열하기 위한 열원이다. 제1 가열원(70)은, 예를 들면, 제1 필라멘트전원(58a)에 접속되는 필라멘트이다. 제1 가열원(70)은, 제1 서멀브레이크(74)의 내부에 있어서 제1 캐소드캡(72)과 대향하도록 배치된다. 제1 가열원(70)과 제1 캐소드캡(72)의 사이에는, 제1 캐소드전원(58b)이 접속되고, 캐소드전압이 인가된다.

제1 캐소드캡(72)은, 아크챔버(50)의 내부를 향하여 축방향으로 돌출되는 중실(中實)부재이다. 제1 캐소드캡(72)은, 축방향으로 뻗는 중심축(C)에 대하여 회전대칭인 형상을 갖고, 예를 들면, 원뿔대형상을 갖는다. 제1 캐소드캡(72)은, 제1 가열원(70)에 의하여 가열됨으로써, 내부공간(S)을 향하여 열전자를 방출한다. 제1 캐소드캡(72)과 아크챔버(50)의 사이에는, 제1 아크전원(58c)이 접속되고, 아크전압이 인가된다.

제1 서멀브레이크(74)는, 제1 캐소드캡(72)을 지지하는 원통형상부재이며, 제1 캐소드지지부재(64)로부터 제1 캐소드캡(72)을 향하여 축방향으로 뻗어 있다. 제1 서멀실드(76)는, 제1 캐소드캡(72) 및 제1 서멀브레이크(74)의 직경방향 외측에 있어서 축방향으로 통형상으로 뻗어 있다. 제1 서멀실드(76)는, 고온상태가 되는 제1 캐소드캡(72) 및 제1 서멀브레이크(74)로부터의 열복사를 반사하고, 제1 캐소드캡(72) 및 제1 서멀브레이크(74)로부터의 열방출을 억제함으로써, 제1 캐소드캡(72) 및 제1 서멀브레이크(74)의 온도상승을 촉진한다.

제1 캐소드캡(72), 제1 서멀브레이크(74) 및 제1 서멀실드(76)는, 고융점재료로 구성되고, 예를 들면, 텅스텐, 몰리브데넘, 탄탈럼 등의 고융점금속, 그들의 합금, 또는 그래파이트가 이용된다. 일례로서 제1 캐소드캡(72) 및 제1 서멀실드(76)는 텅스텐으로 구성되고, 제1 서멀브레이크(74)는 탄탈럼으로 구성된다.

리펠러(56)는, 내부공간(S)을 사이에 두고, 제1 캐소드(54)와는 축방향의 반대측에 마련된다. 리펠러(56)는, 리펠러(56)의 근방에 있는 전자를 튕겨내고, 플라즈마생성영역(P)에 전자를 체류시켜 플라즈마생성효율을 높인다. 리펠러(56)는, 리펠러삽통구멍(50g)에 삽통되고, 아크챔버(50)와 전기적으로 절연된 상태에서 리펠러지지부재(66)에 고정된다. 리펠러지지부재(66)는, 아크챔버(50)의 외부에 마련된다. 리펠러(56)와 아크챔버(50)의 사이에는, 리펠러전원(58e)이 접속되고, 리펠러전압이 인가된다. 또한, 리펠러전원(58e)이 마련되지 않아도 되고, 리펠러(56)가 부유전위가 되도록 구성되어도 된다. 또, 리펠러전원(58e)이 마련되지 않는 구성에 있어서, 리펠러(56)에 아크전원(58c)을 접속함으로써, 리펠러(56)에 아크전압을 인가해도 된다.

리펠러(56)는, 리펠러헤드(80)와, 리펠러축(82)을 포함한다. 리펠러헤드(80)는, 아크챔버(50)의 내부를 향하여 축방향으로 돌출되는 중실부재이며, 내부공간(S)에 노출되도록 배치된다. 리펠러헤드(80)는, 제1 캐소드캡(72)과 축방향으로 대향하는 위치에 마련된다. 리펠러축(82)은, 리펠러헤드(80)를 지지하는 기둥형상부재이며, 리펠러지지부재(66)로부터 리펠러헤드(80)를 향하여 축방향으로 뻗어 있다.

리펠러헤드(80) 및 리펠러축(82)은, 고융점재료로 구성되고, 예를 들면, 텅스텐, 몰리브데넘, 탄탈럼 등의 고융점금속, 그들의 합금, 또는 그래파이트가 이용된다. 리펠러(56)의 일부 또는 전체가 그래파이트로 구성되어도 된다. 예를 들면, 리펠러축(82)이 그래파이트로 구성되고, 리펠러헤드(80)가 텅스텐 등의 고융점금속으로 구성되어도 된다.

이어서, 이온생성장치(10)의 동작에 대하여 설명한다. 제1 가열원(70)을 구성하는 필라멘트는, 제1 필라멘트전원(58a)에 의하여 가열되어, 1차 열전자를 방출한다. 제1 가열원(70)이 방출하는 1차 열전자는, 제1 캐소드전원(58b)에 의한 캐소드전압(예를 들면 200V~600V)에 의하여 가속되고, 제1 캐소드캡(72)에 충돌하며, 그 충돌에 의하여 발생하는 열로 제1 캐소드캡(72)을 가열한다. 제1 가열원(70)에 의하여 가열된 제1 캐소드캡(72)은, 2차 열전자를 내부공간(S)에 방출한다. 제1 캐소드캡(72)이 방출하는 2차 열전자는, 제1 아크전원(58c)에 의한 아크전압(예를 들면 50V~150V)에 의하여 가속된다. 가속된 2차 열전자는, 다가이온을 포함하는 플라즈마를 생성하기 위하여 충분한 에너지를 가진 전자로서 플라즈마생성영역(P)에 공급된다. 플라즈마생성영역(P)에 공급되는 전자는, 내부공간(S)에 있어서 축방향으로 인가되는 자장(B)에 속박되고, 자장(B)을 따라 나선상으로 운동한다. 리펠러(56)는, 리펠러전원(58e)에 의한 리펠러전압(예를 들면 120V~200V)에 의하여, 전자를 플라즈마생성영역(P)에 튕겨낸다. 그 결과, 전자의 운동을 플라즈마생성영역(P)으로 제한하여 플라즈마생성효율을 높일 수 있다. 플라즈마생성영역(P)에서 나선상으로 운동하는 전자는, 가스도입구(62)로부터 도입되는 소스가스를 전리시켜, 내부공간(S)에 있어서 다가이온을 포함하는 플라즈마를 생성한다.

제1 실시형태에서는, 상술한 특징 (1)을 채용함으로써, 저아크조건에 있어서 보다 많은 다가이온이 생성되도록 한다. 구체적으로는, 제1 캐소드캡(72)의 주위에 마련되는 제1 서멀실드(76)를 이용하여, 제1 캐소드캡(72)로부터 아크챔버(50)의 내부공간(S)을 향하여 열전자가 방출되는 범위를 좁게 한다. 열전자가 방출되는 범위를 좁게 함으로써, 플라즈마생성영역(P)의 범위(축방향과 직교하는 직경방향의 폭(w))를 좁게 하고, 보다 좁은 범위에 의하여 고밀도의 플라즈마가 생성되도록 한다. 이와 같은 제1 캐소드(54)의 구성에 대하여, 도 3을 참조하면서 상세하게 설명한다.

도 3은, 제1 실시형태에 관한 제1 캐소드(54)의 구성을 상세하게 나타내는 단면도이며, 도 2에 나타나는 제1 캐소드(54)의 확대도이다. 도 3에 있어서, 제1 단벽(50c)을 기준으로 하여, 아크챔버(50)의 외부에서 내부를 향하여 축방향으로 뻗는 방향을 화살표 A1로 나타내고 있다. 화살표 A1은, 축방향을 따라 아크챔버(50)의 내부측을 향하는 방향이다. 화살표 A2는, 화살표 A1과는 반대의 방향이며, 축방향을 따라 아크챔버(50)의 외부측을 향하는 방향이다. 제1 실시형태에 있어서, 제1 서멀실드(76)의 전위는, 제1 캐소드캡(72)의 전위와 동일하다.

제1 캐소드캡(72)은, 아크챔버(50)의 내부를 향하여 축방향으로 돌출된다. 제1 캐소드캡(72)은, 아크챔버(50)의 내부를 향함에 따라 직경방향의 폭이 작아지는 테이퍼형상을 갖고, 예를 들면, 도 3의 단면에 있어서 좌우대칭인 사다리꼴형상을 갖는다. 제1 캐소드캡(72)은, 열전자방출면(72a)과, 열유입면(72b)과, 플랜지(72c)를 갖는다.

열전자방출면(72a)은, 아크챔버(50)의 내부를 향하여 돌출되는 면이며, 내부공간(S)에 공급되는 열전자를 방출하는 면이다. 열전자방출면(72a)은, 아크챔버(50)의 내부를 향하여 축방향으로 노출되는 평면으로 구성되는 선단면(72d)과, 축방향에 대하여 비스듬한 방향으로 노출되는 곡면(예를 들면, 원뿔대면)으로 구성되는 측면(72e)을 갖는다. 선단면(72d)의 직경방향의 폭(wb)은, 열전자방출면(72a)의 직경방향의 최대폭(wa)(측면(72e)의 외경)보다 작고, 예를 들면, 최대폭(wa)의 10% 이상 95% 이하이며, 바람직하게는, 최대폭(wa)의 50% 이상 80% 이하이다.

열유입면(72b)은, 제1 가열원(70)과 대향하는 평면이며, 아크챔버(50)의 외부를 향하여 축방향으로 노출된다. 제1 캐소드캡(72)은, 주로, 제1 가열원(70)으로부터 열유입면(72b)을 향하는 1차 열전자에 의하여 가열된다. 플랜지(72c)는, 열유입면(72b)의 위치 또는 그 근방에 있어서 직경방향 외측(예를 들면, 중심축(C)으로부터 직경방향으로 멀어지는 방향)으로 돌출하도록 마련된다. 플랜지(72c)는, 제1 서멀브레이크(74)의 계지단부(74a)와 결합한다.

제1 서멀브레이크(74)는, 아크챔버(50)의 내부를 향하여 화살표 A1의 방향으로 돌출되는 계지단부(74a)와, 아크챔버(50)의 외부를 향하여 화살표 A2의 방향으로 돌출되는 장착단부(74b)를 갖는다. 제1 서멀브레이크(74)는, 장착단부(74b)로부터 계지단부(74a)를 향하여 축방향으로 원통형상으로 뻗는다. 계지단부(74a)는, 제1 캐소드캡(72)의 플랜지(72c)와 결합하여 제1 캐소드캡(72)을 고정한다. 장착단부(74b)는, 제1 캐소드지지부재(64)에 장착된다.

제1 서멀실드(76)는, 제1 캐소드캡(72) 및 제1 서멀브레이크(74)의 직경방향 외측에 마련된다. 제1 서멀실드(76)는, 아크챔버(50)의 내부를 향하여 화살표 A1의 방향으로 돌출되는 제1 선단부(76a)와, 아크챔버(50)의 외부를 향하여 화살표 A2의 방향으로 돌출되는 제1 말단부(76b)를 갖는다. 제1 선단부(76a)는, 제1 캐소드캡(72)보다 아크챔버(50)의 내부를 향하여 돌출되어 있다. 즉, 제1 선단부(76a)의 축방향의 위치는, 제1 캐소드캡(72)의 선단(선단면(72d))의 축방향의 위치보다 아크챔버(50)의 내부측에 있다. 제1 말단부(76b)는, 제1 캐소드지지부재(64)에 장착된다. 또한, 변형예에 있어서, 제1 말단부(76b)는, 제1 서멀브레이크(74)에 장착되어도 된다.

제1 서멀실드(76)는, 제1 선단부(76a)에 있어서 축방향으로 개구되는 제1 선단개구(76c)를 갖는다. 제1 선단개구(76c)는, 제1 캐소드캡(72)으로부터 내부공간(S)을 향하여 공급되는 열전자를 통과시킨다. 제1 선단개구(76c)는, 열전자방출면(72a)으로부터 방출되는 열전자의 통과범위를 좁히도록 구성된다. 제1 선단개구(76c)에 있어서의 직경방향의 제1 개구폭(w1)은, 제1 캐소드캡(72)의 직경방향의 최대폭(플랜지(72c)의 위치에서의 직경방향의 폭)보다 작고, 열전자방출면(72a)의 직경방향의 최대폭(wa)보다 작다. 제1 선단개구(76c)의 제1 개구폭(w1)은, 열전자방출면(72a)의 최대폭(wa)의 5% 이상 95% 이하이며, 예를 들면, 50% 이상 90% 이하이다. 열전자방출면(72a)의 직경방향의 선단폭(wb)(선단면(72d)의 직경방향의 폭(wb))은, 제1 선단개구(76c)의 제1 개구폭(w1)보다 작다. 선단면(72d)의 직경방향의 폭(wb)은, 예를 들면, 제1 선단개구(76c)의 제1 개구폭(w1)의 5% 이상 95% 이하이며, 예를 들면, 10% 이상 90% 이하이다.

제1 서멀실드(76)는, 제1 말단부(76b)로부터 제1 선단부(76a)를 향하여 축방향으로 통형상으로 뻗어 있는 제1 연장부(76d)를 갖는다. 제1 연장부(76d)는, 제1 캐소드캡(72) 및 제1 서멀브레이크(74)와 직경방향으로 간극을 두고 이웃한다. 제1 연장부(76d)는, 제1 원통부(76f)와, 제1 테이퍼부(76g)를 갖는다.

제1 원통부(76f)는, 제1 연장부(76d)의 내면(76e)의 직경방향의 폭이 일정해지는 부분이며, 제1 서멀브레이크(74)와 직경방향으로 간극을 두고 이웃하도록 배치된다. 제1 원통부(76f)는, 적어도 내면(76e)이 원통형상이 되도록 구성된다. 제1 원통부(76f)는, 예를 들면, 제1 연장부(76d)의 내면(76e)부터 제1 서멀브레이크(74)까지의 간격(d1)이 일정해지도록 구성된다. 도 3에 나타나는 제1 원통부(76f)는, 제1 캐소드캡(72)과 직경방향으로 간극을 두고 이웃하지 않지만, 변형예에 있어서는, 제1 원통부(76f)는, 제1 캐소드캡(72)과 직경방향으로 간극을 두고 이웃하도록 구성되어도 된다.

제1 테이퍼부(76g)는, 제1 연장부(76d)의 내면(76e)의 직경방향의 폭이 축방향으로 변화하는 부분이며, 제1 연장부(76d)의 내면(76e)의 직경방향의 폭이 아크챔버(50)의 내부를 향함에 따라 작아지는 부분이다. 제1 테이퍼부(76g)는, 제1 캐소드캡(72)과 직경방향으로 간극을 두고 이웃하도록 배치되며, 제1 캐소드캡(72)의 열전자방출면(72a)(측면(72e))을 따라 배치된다. 제1 테이퍼부(76g)는, 적어도 내면(76e)이 원뿔대형상이 되도록 구성된다. 제1 테이퍼부(76g)는, 예를 들면, 제1 연장부(76d)의 내면(76e)부터 제1 캐소드캡(72)까지의 간격(d2)이 일정해지도록 구성된다. 예를 들면, 제1 테이퍼부(76g)의 내면(76e)의 직경방향에 대한 경사각(θ2)은, 제1 캐소드캡(72)의 측면(72e)의 직경방향에 대한 경사각(θ1)과 동일하다. 제1 테이퍼부(76g)는, 제1 연장부(76d)의 외면(76h)이 원뿔대형상이 되도록 구성되어도 된다. 도 3에 나타나는 제1 테이퍼부(76g)는, 제1 서멀브레이크(74)(계지단부(74a))와 직경방향으로 간극을 두고 이웃하고 있지만, 제1 테이퍼부(76g)는, 제1 서멀브레이크(74)와 직경방향으로 간극을 두고 이웃하지 않도록 구성되어도 된다.

도 4는, 도 3의 제1 캐소드(54)를 축방향으로 보았을 때의 구성을 나타내는 평면도이며, 제1 캐소드(54)를 아크챔버(50)의 내부로부터 외부를 향하는 방향으로 보고 있다. 도 4에 있어서, 용이성을 위하여, 제1 서멀실드(76)를 망점으로 나타내고 있다. 도 4에 나타나는 바와 같이, 제1 캐소드캡(72) 및 제1 서멀실드(76)는, 축방향으로 뻗는 중심축(C)에 대하여 회전대칭인 형상을 갖고, 서로 동축으로 되도록 배치되어 있다. 도 4에 있어서, 제1 서멀브레이크(74)가 보이지 않지만, 제1 서멀브레이크(74)도 중심축(C)에 대하여 회전대칭인 형상을 갖고, 제1 캐소드캡(72) 및 제1 서멀실드(76)와 서로 동축으로 되도록 배치되어 있다.

상술한 바와 같이, 제1 선단개구(76c)에 있어서의 직경방향의 제1 개구폭(w1)은, 제1 캐소드캡(72)의 열전자방출면(72a)의 직경방향의 최대폭(wa)보다 작고, 열전자방출면(72a)의 직경방향의 선단폭(wb)(선단면(72d)의 직경방향의 폭(wb))보다 크다. 따라서, 제1 서멀실드(76)의 적어도 일부는, 제1 캐소드캡(72)과 축방향으로 중첩되도록 배치된다. 보다 구체적으로는, 제1 서멀실드(76)의 제1 선단개구(76c)의 가장자리의 적어도 일부는, 제1 캐소드캡(72)의 열전자방출면(72a)(구체적으로는, 측면(72e))과 축방향으로 중첩된다.

제1 실시형태에 의하면, 제1 서멀실드(76)의 제1 선단개구(76c)의 제1 개구폭(w1)을 제1 캐소드캡(72)의 직경방향의 최대폭보다 작게 함으로써, 제1 캐소드캡(72)으로부터 아크챔버(50)의 내부를 향하여 열전자가 방출되는 직경방향의 범위를 좁게 할 수 있다. 그 결과, 직경방향으로 한정된 범위에 열전자를 집중적으로 공급할 수 있고, 저아크조건이어도 플라즈마생성영역(P)에 있어서 고밀도의 플라즈마를 생성할 수 있다.

제1 실시형태에 의하면, 제1 캐소드캡(72)이 테이퍼형상을 갖기 때문에, 제1 캐소드캡(72)의 측면(72e)으로부터 방출되는 열전자를 아크챔버(50)의 내부를 향하여 공급할 수 있다. 또, 제1 서멀실드(76)가 제1 테이퍼부(76g)를 갖기 때문에, 제1 연장부(76d)의 내면(76e)을 제1 캐소드캡(72)의 측면(72e)의 보다 가까이에 배치하고, 제1 캐소드캡(72)으로부터의 열방출을 억제함으로써, 제1 캐소드캡(72)의 온도상승을 촉진할 수 있다. 그 결과, 저아크조건이어도 제1 캐소드캡(72)을 고온으로 유지하기 쉬워져, 플라즈마생성영역(P)에 보다 많은 열전자를 공급할 수 있다.

(제1 실시형태에 관한 변형예)

이하, 도 5의 (a)~도 10의 (b)를 참조하여, 제1 실시형태에 관한 제1 캐소드(54)의 변형예를 나타낸다. 이하에서는, 제1 캐소드캡(72) 및 제1 서멀실드(76)의 구조를 나타내면서, 상술한 제1 실시형태와의 상위(相違)점을 중심으로 설명하고, 공통점에 대해서는 설명을 적절히 생략한다.

도 5의 (a), (b)는, 변형예에 관한 제1 캐소드(54A, 54B)의 구성을 모식적으로 나타내는 단면도이다. 도 5의 (a)에 나타내는 제1 캐소드(54A)에서는, 제1 캐소드캡(72)의 선단(선단면(72d))이 제1 서멀실드(76)의 제1 선단부(76a)보다 아크챔버의 내부를 향하여 돌출되어 있다. 즉, 제1 캐소드캡(72)의 선단(선단면(72d))의 축방향의 위치는, 제1 선단부(76a)의 축방향의 위치보다 아크챔버의 내부측에 있다. 도 5의 (a)에서는, 도 3에 비하여 제1 캐소드캡(72)의 축방향의 길이가 크다. 또 다른 변형예에서는, 도 3에 비하여 제1 연장부(76d)(예를 들면, 제1 테이퍼부(76g))의 축방향의 길이를 작게 해도 된다. 도 5의 (b)에 나타내는 제1 캐소드(54B)에 있어서, 제1 캐소드캡(72)의 선단(선단면(72d))의 축방향의 위치는, 제1 서멀실드(76)의 제1 선단부(76a)의 축방향의 위치와 동일하다.

도 6의 (a), (b)는, 변형예에 관한 제1 캐소드(54C, 54D)의 구성을 모식적으로 나타내는 단면도이다. 도 6의 (a)에 나타내는 제1 캐소드(54C)에서는, 제1 연장부(76d)의 내면(76e)부터 제1 캐소드캡(72)까지의 간격(d2)이 축방향의 위치에 따라 변화하고 있으며, 아크챔버의 내부를 향함에 따라 간격(d2)이 작아지도록 구성된다. 도 6의 (a)에 있어서, 제1 테이퍼부(76g)의 내면(76e)의 직경방향에 대한 경사각(θ2)은, 제1 캐소드캡(72)의 측면(72e)의 직경방향에 대한 경사각(θ1)보다 작다.

도 6의 (b)에 나타내는 제1 캐소드(54D)에서는, 도 6의 (a)와는 반대로, 제1 연장부(76d)의 내면(76e)부터 제1 캐소드캡(72)까지의 간격(d2)이 아크챔버의 내부를 향함에 따라 커지도록 구성된다. 도 6의 (b)에 있어서, 제1 테이퍼부(76g)의 내면(76e)의 직경방향에 대한 경사각(θ2)은, 제1 캐소드캡(72)의 측면(72e)의 직경방향에 대한 경사각(θ1)보다 크다.

도 7의 (a), (b)는, 변형예에 관한 제1 캐소드(54E, 54F)의 구성을 모식적으로 나타내는 단면도이다. 도 7의 (a)에 나타내는 제1 캐소드(54E)에 있어서, 제1 선단개구(76c)에 있어서의 직경방향의 제1 개구폭(w1)은, 제1 캐소드캡(72)의 열전자방출면(72a)의 직경방향의 최대폭(wa)보다 작고, 열전자방출면(72a)의 직경방향의 선단폭(wb)(선단면(72d)의 직경방향의 폭(wb))과 동일하다. 도 7의 (b)에 나타내는 제1 캐소드(54F)에 있어서, 제1 선단개구(76c)에 있어서의 직경방향의 제1 개구폭(w1)은, 제1 캐소드캡(72)의 열전자방출면(72a)의 직경방향의 선단폭(wb)(선단면(72d)의 직경방향의 폭(wb))보다 작다.

도 8의 (a), (b)는, 변형예에 관한 제1 캐소드(54G, 54H)의 구성을 모식적으로 나타내는 단면도이다. 도 8의 (a)에 나타내는 제1 캐소드(54G)에서는, 제1 서멀실드(76)의 제1 선단부(76a)가 직경방향 내측으로 뻗어 있다. 제1 선단부(76a)는, 제1 연장부(76d)의 선단으로부터 직경방향 내측으로 뻗어 있다. 도 8의 (a)의 제1 선단개구(76c)는, 아크챔버의 내부를 향함에 따라 직경방향의 폭이 커지는 테이퍼형상을 갖는다. 또 다른 변형예에 있어서, 도 8의 (a)의 제1 선단개구(76c)는, 직경방향의 폭이 일정해지도록 구성되어도 되고, 아크챔버의 내부를 향함에 따라 직경방향의 폭이 작아지는 역테이퍼형상을 가져도 된다. 도 8의 (a)에 있어서, 제1 선단개구(76c)에 있어서의 직경방향의 제1 개구폭(w1)은, 열전자방출면(72a)의 직경방향의 선단폭(wb)(선단면(72d)의 직경방향의 폭(wb))보다 작다. 또 다른 변형예에 있어서, 제1 선단개구(76c)에 있어서의 직경방향의 제1 개구폭(w1)은, 열전자방출면(72a)의 직경방향의 선단폭(wb)(선단면(72d)의 직경방향의 폭(wb))과 동일해도 되고, 그것보다 커도 된다.

도 8의 (b)에 나타내는 제1 캐소드(54H)에서는, 도 8의 (a)와 동일하게, 제1 서멀실드(76)의 제1 선단부(76a)가 직경방향 내측으로 뻗어 있다. 도 8의 (b)에서는, 제1 캐소드캡(72)의 선단(선단면(72d))이 제1 선단부(76a)보다 아크챔버의 내부를 향하여 돌출하고 있고, 제1 선단부(76a)는, 제1 캐소드캡(72)을 향하여 직경방향 내측으로 뻗어 있다. 도 8의 (b)의 제1 선단개구(76c)는, 직경방향의 폭이 아크챔버의 내부를 향함에 따라 작아지는 테이퍼형상을 갖는다. 또 다른 변형예에 있어서, 도 8의 (b)의 제1 선단개구(76c)는, 직경방향의 폭이 일정해지도록 구성되어도 되고, 아크챔버의 내부를 향함에 따라 직경방향의 폭이 커지는 테이퍼형상을 가져도 된다. 도 8의 (b)에 있어서, 제1 선단개구(76c)에 있어서의 직경방향의 제1 개구폭(w1)은, 열전자방출면(72a)의 직경방향의 선단폭(wb)(선단면(72d)의 직경방향의 폭(wb))보다 크다.

도 9의 (a), (b)는, 변형예에 관한 제1 캐소드(54I, 54J)의 구성을 모식적으로 나타내는 단면도이다. 도 9의 (a)에 나타내는 제1 캐소드(54I)에서는, 제1 서멀실드(76)의 제1 테이퍼부(76g)의 내면(76e)만이 테이퍼형상으로 되어 있으며, 외면(76h)은 테이퍼형상으로 되어 있지 않다. 도 9의 (a)에서는, 제1 테이퍼부(76g)의 내면(76e)은 원뿔대면이며, 제1 테이퍼부(76g)의 외면(76h)은 원통면이다. 도 9의 (a)에 있어서, 제1 선단개구(76c)에 있어서의 직경방향의 제1 개구폭(w1)은, 열전자방출면(72a)의 직경방향의 선단폭(wb)(선단면(72d)의 직경방향의 폭(wb))보다 크다. 또 다른 변형예에서는, 제1 선단개구(76c)에 있어서의 직경방향의 제1 개구폭(w1)은, 열전자방출면(72a)의 직경방향의 선단폭(wb)(선단면(72d)의 직경방향의 폭(wb))과 동일해도 되고, 그것보다 작아도 된다.

도 9의 (b)에 나타내는 제1 캐소드(54J)에 있어서, 제1 서멀실드(76)의 제1 연장부(76d)는, 제1 원통부(76f)를 갖지만, 제1 테이퍼부(76g)를 갖지 않는다. 도 9의 (b)에서는, 제1 원통부(76f)가 제1 캐소드(54)와 직경방향으로 간극을 두고 이웃하고 있으며, 제1 원통부(76f)의 선단에 제1 선단부(76a)가 마련된다. 제1 선단부(76a)는, 제1 원통부(76f)로부터 직경방향 내측으로 뻗어 있다. 도 9의 (b)의 제1 선단개구(76c)는, 아크챔버의 내부를 향함에 따라 직경방향의 폭이 커지는 테이퍼형상을 갖는다. 또 다른 변형예에 있어서, 도 9의 (b)의 제1 선단개구(76c)는, 직경방향의 폭이 일정해지도록 구성되어도 되고, 아크챔버의 내부를 향함에 따라 직경방향의 폭이 작아지는 역테이퍼형상을 가져도 된다. 도 9의 (b)에 있어서, 제1 선단개구(76c)에 있어서의 직경방향의 제1 개구폭(w1)은, 열전자방출면(72a)의 직경방향의 선단폭(wb)(선단면(72d)의 직경방향의 폭(wb))보다 작다. 또 다른 변형예에서는, 제1 선단개구(76c)에 있어서의 직경방향의 제1 개구폭(w1)은, 열전자방출면(72a)의 직경방향의 선단폭(wb)(선단면(72d)의 직경방향의 폭(wb))과 동일해도 되고, 그것보다 커도 된다.

도 9의 (a), (b)에 있어서, 제1 선단부(76a)는, 제1 캐소드캡(72)의 선단(선단면(72d))보다 아크챔버의 내부를 향하여 돌출되어 있다. 또 다른 변형예에 있어서, 제1 캐소드캡(72)의 선단(선단면(72d))은, 제1 선단부(76a)와 축방향의 위치가 동일해도 되고, 제1 선단부(76a)보다 아크챔버의 내부를 향하여 돌출되어도 된다.

도 10의 (a), (b)는, 변형예에 관한 제1 캐소드(54K, 54L)의 구성을 모식적으로 나타내는 단면도이다. 도 10의 (a), (b)에 나타내는 제1 캐소드(54K, 54L)에서는, 제1 테이퍼부(76g)가 돔상으로 구성되어 있다. 구체적으로는, 제1 테이퍼부(76g)의 내면(76e) 및 외면(76h)이 아크챔버의 내부측을 향하여 볼록해지는 곡면으로 구성된다. 제1 테이퍼부(76g)의 내면(76e) 및 외면(76h)은, 예를 들면, 구면, 타원구면 또는 회전 포물면의 일부가 되도록 구성된다.

도 10의 (a)에 나타내는 제1 캐소드(54K)에서는, 제1 선단부(76a)는, 제1 캐소드캡(72)의 선단(선단면(72d))보다 아크챔버의 내부를 향하여 돌출되어 있다. 도 10의 (a)에 있어서, 제1 선단개구(76c)에 있어서의 직경방향의 제1 개구폭(w1)은, 열전자방출면(72a)의 직경방향의 선단폭(wb)(선단면(72d)의 직경방향의 폭(wb))과 동일하다. 또 다른 변형예로서 제1 선단개구(76c)에 있어서의 직경방향의 제1 개구폭(w1)은, 열전자방출면(72a)의 직경방향의 선단폭(wb)(선단면(72d)의 직경방향의 폭(wb))보다 커도 되고, 작아도 된다.

도 10의 (b)에 나타내는 제1 캐소드(54L)에 있어서, 제1 캐소드캡(72)의 선단(선단면(72d))은, 제1 선단부(76a)보다 아크챔버의 내부를 향하여 돌출되어 있다. 제1 선단부(76a)는, 제1 캐소드캡(72)을 향하여 축방향에 대하여 비스듬하게 뻗어 있다. 도 10의 (b)에 있어서, 제1 선단개구(76c)에 있어서의 직경방향의 제1 개구폭(w1)은, 열전자방출면(72a)의 직경방향의 선단폭(wb)(선단면(72d)의 직경방향의 폭(wb))보다 크다.

또한, 도 3~도 10의 (b)에 나타나는 제1 캐소드캡(72)과 제1 서멀실드(76)의 배치에 관한 특징, 및, 도 3~도 10의 (b)에 나타나는 제1 서멀실드(76)의 형상에 관한 특징은, 적절히 조합하여 이용할 수 있다. 또, 도 3~도 10의 (b)에 나타나는 제1 캐소드캡(72)은, 원뿔대형상이 아니라, 다각뿔대형상이어도 된다. 도 3~도 10의 (b)에 나타나는 제1 캐소드캡(72)은, 도 3의 중심축(C)에 대하여 비회전대칭이 되는 형상을 가져도 된다. 도 3, 도 5의 (a)~도 9의 (a)에 나타나는 제1 테이퍼부(76g)의 내면(76e)으로 구성되는 공간의 형상은, 각뿔대형상이어도 된다. 도 9의 (b)에 나타나는 제1 테이퍼부(76g)의 내면(76e)으로 구성되는 공간의 형상은, 다각기둥형상이어도 된다. 도 3~도 10의 (b)에 나타나는 제1 테이퍼부(76g)의 내면(76e)으로 구성되는 공간의 형상은, 도 3의 중심축(C)에 대하여 비회전대칭이 되는 형상을 가져도 된다.

도 11의 (a)~(o)는, 변형예에 관한 제1 캐소드캡(72)의 형상을 모식적으로 나타내는 단면도이다. 도 11의 (a)~(o)는, 도 3~도 10에 나타낸 원뿔대형상과는 상이한 형상의 제1 캐소드캡(72)을 나타낸다. 도 11의 (a)~(o)에 나타나는 제1 캐소드캡(72)은, 도 3~도 10에 나타나는 원뿔대형상의 제1 캐소드캡(72)으로 치환하여 이용할 수 있다. 즉, 도 11의 (a)~(o)에 나타나는 제1 캐소드캡(72)은, 도 3~도 10에 나타나는 제1 서멀실드(76)와 조합하여 이용할 수 있다.

도 11의 (a)는, 원기둥형상(또는 다각기둥형상)의 제1 캐소드캡(72)을 나타낸다. 도 11의 (a)에 나타내는 제1 캐소드캡(72)의 열전자방출면(72a)은, 아크챔버의 내부를 향하여 축방향으로 노출되는 평면으로 구성되는 선단면(72d)과, 직경방향에 노출되는 원통면(또는 다각통면)으로 구성되는 측면(72e)을 갖는다. 도 11의 (a)에 있어서, 열전자방출면(72a)의 직경방향의 폭이 일정하며, 열전자방출면(72a)의 직경방향의 최대폭(wa) 및 선단폭(wb)은 모두, 선단면(72d)의 직경방향의 폭(측면(72e)의 직경)에 대응한다.

도 11의 (b)는, 원뿔형상(또는 다각뿔형상)의 제1 캐소드캡(72)을 나타낸다. 도 11의 (b)에 나타내는 제1 캐소드캡(72)의 열전자방출면(72a)은, 아크챔버의 내부를 향하여 축방향으로 돌출되는 원뿔면(또는 다각뿔면)에 의하여 구성된다. 따라서, 도 11의 (b)의 제1 캐소드캡(72)은, 아크챔버의 내부를 향하여 축방향으로 노출되는 평면으로 구성되는 선단면을 갖지 않는다. 도 11의 (b)에 있어서, 열전자방출면(72a)의 직경방향의 최대폭(wa)은 원뿔형상(또는 다각뿔형상)의 바닥면의 직경에 대응하고, 열전자방출면(72a)의 직경방향의 선단폭은 0이다.

도 11의 (c)는, 돔형상의 제1 캐소드캡(72)을 나타낸다. 제1 캐소드캡(72)은, 예를 들면, 구체 또는 타원구체를 절반으로 절단한 형상을 갖는다. 도 11의 (c)에 나타내는 제1 캐소드캡(72)의 열전자방출면(72a)은, 아크챔버의 내부를 향하여 축방향으로 돌출되는 곡면(예를 들면, 구면, 타원구면 또는 회전 포물면의 일부)에 의하여 구성되고, 아크챔버의 내부를 향하여 축방향으로 노출되는 평면으로 구성되는 선단면을 갖지 않는다. 도 11의 (c)에 있어서, 열전자방출면(72a)의 직경방향의 최대폭(wa)은 돔형상의 직경방향의 직경에 대응하고, 열전자방출면(72a)의 직경방향의 선단폭은 0이다.

도 11의 (d)는, 원기둥과 원뿔대(또는 다각기둥과 다각뿔대)를 동축 상에 중첩시킨 형상을 갖는 제1 캐소드캡(72)을 나타낸다. 도 11의 (d)에 나타내는 제1 캐소드캡(72)의 열전자방출면(72a)은, 아크챔버의 내부를 향하여 축방향으로 노출되는 평면으로 구성되는 선단면(72d)로 원뿔대면(또는 다각뿔대면)으로 구성되는 제1 측면(72e1)과, 원통면(또는 다각통면)으로 구성되는 제2 측면(72e2)을 갖는다. 도 11의 (d)에 있어서, 열전자방출면(72a)의 직경방향의 최대폭(wa)은 원기둥(또는 다각기둥)의 직경에 대응하고, 열전자방출면(72a)의 직경방향의 선단폭(wb)은 선단면(72d)의 직경방향의 폭에 대응한다.

도 11의 (e)는, 원기둥과 원뿔(또는 다각기둥과 다각뿔)을 동축 상에 중첩시킨 형상을 갖는 제1 캐소드캡(72)을 나타낸다. 도 11의 (e)에 나타내는 제1 캐소드캡(72)의 열전자방출면(72a)은, 아크챔버의 내부를 향하여 축방향으로 돌출되는 원뿔면(또는 다각뿔면)으로 구성되는 선단면(72d)과, 원통면(또는 다각통면)으로 구성되는 측면(72e)을 갖는다. 도 11의 (e)에 있어서, 열전자방출면(72a)의 직경방향의 최대폭(wa)은 원기둥(또는 다각기둥)의 직경에 대응하고, 열전자방출면(72a)의 직경방향의 선단폭은 0이다.

도 11의 (f)는, 원기둥와 돔형상을 동축 상에 중첩시킨 형상을 갖는 제1 캐소드캡(72)을 나타낸다. 도 11의 (f)에 나타내는 제1 캐소드캡(72)의 열전자방출면(72a)은, 아크챔버의 내부를 향하여 축방향으로 돌출되는 곡면(예를 들면, 구면, 타원구면 또는 회전 포물면의 일부)으로 구성되는 선단면(72d)과, 원통면으로 구성되는 측면(72e)을 갖는다. 도 11의 (f)에 있어서, 열전자방출면(72a)의 직경방향의 최대폭(wa)은 원기둥의 직경에 대응하고, 열전자방출면(72a)의 직경방향의 선단폭은 0이다.

도 11의 (g)는, 직경이 상이한 2개의 원기둥(또는 다각기둥)을 동축 상에 중첩시킨 형상을 갖는 제1 캐소드캡(72)을 나타낸다. 도 11의 (g)에 나타내는 제1 캐소드캡(72)의 열전자방출면(72a)은, 아크챔버의 내부를 향하여 축방향으로 노출되는 평면으로 구성되는 선단면(72d)과, 직경의 작은 원통면(또는 다각통면)으로 구성되는 제1 측면(72e1)과, 아크챔버의 내부를 향하여 축방향으로 노출되는 링형상의 평면으로 구성되는 중간단면(72f)과, 직경이 큰 원통면(또는 다각통면)으로 구성되는 제2 측면(72e2)을 갖는다. 도 11의 (g)에 있어서, 열전자방출면(72a)의 직경방향의 최대폭(wa)은 제2 측면(72e2)의 직경에 대응하고, 열전자방출면(72a)의 직경방향의 선단폭(wb)은 선단면(72d)의 직경방향의 폭(제1 측면(72e1)의 직경)에 대응한다.

도 11의 (h)는, 원기둥(또는 다각기둥)과, 원기둥보다 작은 직경의 원뿔(또는 다각기둥보다 작은 직경의 다각뿔)을 동축 상에 중첩시킨 형상을 갖는 제1 캐소드캡(72)을 나타낸다. 도 11의 (h)에 나타내는 제1 캐소드캡(72)의 열전자방출면(72a)은, 아크챔버의 내부를 향하여 축방향으로 노출되는 원뿔면(또는 다각뿔면)으로 구성되는 선단면(72d)과, 아크챔버의 내부를 향하여 축방향으로 노출되는 링형상의 평면으로 구성되는 중간단면(72f)과, 원통면(또는 다각통면)으로 구성되는 측면(72e)을 갖는다. 도 11의 (h)에 있어서, 열전자방출면(72a)의 직경방향의 최대폭(wa)은 측면(72e)의 직경에 대응하고, 열전자방출면(72a)의 직경방향의 선단폭은 0이다.

도 11의 (i)는, 원기둥(또는 다각기둥)과 원기둥(또는 다각기둥)보다 작은 직경의 돔형상을 동축 상에 중첩시킨 형상을 갖는 제1 캐소드캡(72)을 나타낸다. 도 11의 (i)에 나타내는 제1 캐소드캡(72)의 열전자방출면(72a)은, 아크챔버의 내부를 향하여 축방향으로 돌출되는 곡면(예를 들면, 구면, 타원구면 또는 회전 포물면의 일부)으로 구성되는 선단면(72d)과, 아크챔버의 내부를 향하여 축방향으로 노출되는 링형상의 평면으로 구성되는 중간단면(72f)과, 원통면(또는 다각통면)으로 구성되는 측면(72e)을 갖는다. 도 11의 (i)에 있어서, 열전자방출면(72a)의 직경방향의 최대폭(wa)은 측면(72e)의 직경에 대응하고, 열전자방출면(72a)의 직경방향의 선단폭은 0이다.

도 11의 (j)는, 직경이 상이한 2개의 원기둥(또는 2개의 다각기둥)과, 하나의 원뿔대(또는 하나의 다각뿔대)를 동축 상에 중첩시킨 형상을 갖는 제1 캐소드캡(72)을 나타내고, 하나의 원뿔대(또는 하나의 다각뿔대)가 2개의 원기둥(또는 2개의 다각기둥)의 사이를 접속하고 있다. 도 11의 (j)에 나타내는 제1 캐소드캡(72)의 열전자방출면(72a)은, 아크챔버의 내부를 향하여 축방향으로 노출되는 평면으로 구성되는 선단면(72d)과, 직경의 작은 원통면(또는 다각통면)으로 구성되는 제1 측면(72e1)과, 원뿔대면(또는 다각뿔대면)으로 구성되는 제2 측면(72e2)과, 직경이 큰 원통면(또는 다각통면)으로 구성되는 제3 측면(72e3)을 갖는다. 도 11의 (j)에 있어서, 열전자방출면(72a)의 직경방향의 최대폭(wa)은 제3 측면(72e3)의 직경에 대응하고, 열전자방출면(72a)의 직경방향의 선단폭(wb)은 선단면(72d)의 직경방향의 폭(제1 측면(72e1)의 직경)에 대응한다.

도 11의 (k)는, 원기둥(또는 다각기둥)과, 원뿔대(또는 다각뿔대)와, 원뿔(또는 다각뿔)을 동축 상에 중첩시킨 형상을 갖는 제1 캐소드캡(72)을 나타내고, 원뿔대(또는 다각뿔대)가 원기둥(또는 다각기둥)과 원뿔(또는 다각뿔)의 사이를 접속하고 있다. 도 11의 (k)에 나타내는 제1 캐소드캡(72)의 열전자방출면(72a)은, 아크챔버의 내부를 향하여 축방향으로 돌출되는 원뿔면(또는 다각뿔면)으로 구성되는 선단면(72d)과, 선단면(72d)과는 상이한 경사각을 갖는 원뿔대면(또는 다각뿔대면)으로 구성되는 제1 측면(72e1)과, 원통면(또는 다각통면)으로 구성되는 제2 측면(72e2)을 갖는다. 도 11의 (k)에 있어서, 열전자방출면(72a)의 직경방향의 최대폭(wa)은 제2 측면(72e2)의 직경에 대응하고, 열전자방출면(72a)의 직경방향의 선단폭은 0이다.

도 11의 (l)은, 원기둥과, 원뿔대와, 돔형상을 동축 상에 중첩시킨 형상을 갖는 제1 캐소드캡(72)을 나타내고, 원뿔대가 원기둥과 돔형상의 사이를 접속하고 있다. 도 11의 (l)에 나타내는 제1 캐소드캡(72)의 열전자방출면(72a)은, 아크챔버의 내부를 향하여 축방향으로 돌출되는 곡면(예를 들면, 구면, 타원구면 또는 회전 포물면의 일부)으로 구성되는 선단면(72d)과, 원뿔대면으로 구성되는 제1 측면(72e1)과, 원통면으로 구성되는 제2 측면(72e2)을 갖는다. 도 11의 (l)에 있어서, 열전자방출면(72a)의 직경방향의 최대폭(wa)은 제2 측면(72e2)의 직경에 대응하고, 열전자방출면(72a)의 직경방향의 선단폭은 0이다.

도 11의 (m)은, 원기둥의 선단의 가장자리가 모따기된 형상을 갖는 제1 캐소드캡(72)을 나타낸다. 도 11의 (m)에 나타내는 제1 캐소드캡(72)의 열전자방출면(72a)은, 아크챔버의 내부를 향하여 축방향으로 노출되는 평면으로 구성되는 선단면(72d)과, 축방향에 대하여 비스듬하게 돌출되는 곡면으로 구성되는 제1 측면(72e1)과, 원통면으로 구성되는 제2 측면(72e2)을 갖는다. 도 11의 (l)에 있어서, 열전자방출면(72a)의 직경방향의 최대폭(wa)은 제2 측면(72e2)의 직경에 대응하고, 열전자방출면(72a)의 직경방향의 선단폭(wb)은 선단면(72d)의 직경방향의 폭에 대응한다.

도 11의 (n)은, 돔형상의 선단을 절단한 형상을 갖는 제1 캐소드캡(72)을 나타낸다. 도 11의 (n)에 나타내는 제1 캐소드캡(72)의 열전자방출면(72a)은, 아크챔버의 내부를 향하여 축방향으로 노출되는 평면으로 구성되는 선단면(72d)과, 직경방향 외측 및 아크챔버의 내부측을 향하여 볼록해지는 곡면으로 구성되는 측면(72e)을 갖는다. 도 11의 (n)에 있어서, 열전자방출면(72a)의 직경방향의 최대폭(wa)은 돔형상의 직경방향의 직경에 대응하고, 열전자방출면(72a)의 직경방향의 선단폭(wb)은 선단면(72d)의 직경방향의 폭에 대응한다.

도 11의 (o)는, 원뿔대와 돔형상을 동축 상에 중첩시킨 형상을 갖는 제1 캐소드캡(72)을 나타낸다. 도 11의 (o)에 나타내는 제1 캐소드캡(72)의 열전자방출면(72a)은, 아크챔버의 내부를 향하여 축방향으로 돌출되는 곡면(예를 들면, 구면, 타원구면 또는 회전 포물면의 일부)으로 구성되는 선단면(72d)과, 원뿔대면으로 구성되는 측면(72e)을 갖는다. 도 11의 (o)에 있어서, 열전자방출면(72a)의 직경방향의 최대폭(wa)은 원뿔대(측면(72e))의 직경에 대응하고, 열전자방출면(72a)의 직경방향의 선단폭은 0이다.

(제2 실시형태)

도 12는, 제2 실시형태에 관한 제1 캐소드(154)의 구성을 상세하게 나타내는 단면도이다. 제2 실시형태에 관한 제1 캐소드(154)는, 제2 서멀실드(78)를 더 포함하는 점에서, 제1 실시형태와 상이하다. 이하, 제2 실시형태에 대하여, 제1 실시형태와의 상위점을 중심으로 설명하고, 공통점에 대해서는 설명을 적절히 생략한다.

제1 캐소드(154)는, 제1 가열원(70)과, 제1 캐소드캡(72)과, 제1 서멀브레이크(74)와, 제1 서멀실드(76)와, 제2 서멀실드(78)를 포함한다. 제1 가열원(70), 제1 캐소드캡(72), 제1 서멀브레이크(74) 및 제1 서멀실드(76)는, 제1 실시형태와 동일하게 구성된다.

제2 서멀실드(78)는, 제1 서멀실드(76)의 직경방향 외측에 있어서 축방향으로 통형상으로 뻗어 있다. 제2 서멀실드(78)는, 고온상태가 되는 제1 서멀실드(76)로부터의 열복사를 반사하고, 제1 서멀실드(76)로부터의 열방출을 억제함으로써, 제1 서멀실드(76)의 온도상승을 촉진한다. 제2 서멀실드(78)는, 제1 서멀실드(76)의 온도상승을 촉진함으로써, 제1 캐소드캡(72) 및 제1 서멀브레이크(74)의 온도상승을 촉진한다. 제2 실시형태에 있어서, 제2 서멀실드(78)의 전위는, 제1 캐소드캡(72), 제1 서멀브레이크(74) 및 제1 서멀실드(76)의 전위와 동일하다.

제2 서멀실드(78)는, 축방향에 대하여 회전대칭인 형상을 갖고, 예를 들면, 중심축(C)과 동축으로 되도록 배치된다. 제2 서멀실드(78)는, 아크챔버(50)의 내부를 향하여 화살표 A1의 방향으로 돌출되는 제2 선단부(78a)와, 아크챔버(50)의 외부를 향하여 화살표 A2의 방향으로 돌출되는 제2 말단부(78b)를 갖는다.

도 12에 나타나는 제2 선단부(78a)는, 제1 서멀실드(76)의 제1 선단부(76a)보다 아크챔버(50)의 내부를 향하여 돌출되어 있다. 즉, 제2 선단부(78a)의 축방향의 위치는, 제1 선단부(76a)의 축방향의 위치보다 아크챔버(50)의 내부측에 있다. 제2 말단부(78b)는, 제1 캐소드지지부재(64)에 장착된다. 변형예에 있어서, 제2 말단부(78b)는, 제1 서멀실드(76) 또는 제1 서멀브레이크(74)에 장착되어도 된다.

제2 서멀실드(78)는, 제2 선단부(78a)에 있어서 축방향으로 개구되는 제2 선단개구(78c)를 갖는다. 제2 선단개구(78c)는, 제1 캐소드캡(72)으로부터 내부공간(S)을 향하여 공급되는 열전자를 통과시킨다. 제2 선단개구(78c)에 있어서의 직경방향의 제2 개구폭(w2)은, 제1 선단개구(76c)에 있어서의 직경방향의 제1 개구폭(w1)보다 크다. 도 12에 나타나는 제2 선단개구(78c)의 제2 개구폭(w2)은, 열전자방출면(72a)의 직경방향의 최대폭(wa)보다 크다. 제2 선단개구(78c)에 있어서의 직경방향의 제2 개구폭(w2)은, 제1 서멀실드(76)의 제1 연장부(76d)의 외면(76h)의 직경방향의 최대폭(w1a)보다 작다.

제2 서멀실드(78)는, 제2 말단부(78b)로부터 제2 선단부(78a)를 향하여 축방향으로 통형상으로 뻗어 있는 제2 연장부(78d)를 갖는다. 제2 연장부(78d)는, 제1 서멀실드(76)의 제1 연장부(76d)와 직경방향으로 간극을 두고 이웃한다. 제2 연장부(78d)는, 제2 원통부(78f)와, 제2 테이퍼부(78g)를 갖는다.

제2 원통부(78f)는, 제2 연장부(78d)의 내면(78e)의 직경방향의 폭이 일정해지는 부분이며, 제1 서멀실드(76)의 제1 원통부(76f)와 직경방향으로 간극을 두고 이웃하도록 배치된다. 제2 원통부(78f)는, 적어도 내면(78e)이 원통형상이 되도록 구성된다. 제2 원통부(78f)는, 예를 들면, 제2 연장부(78d)의 내면(78e)부터 제1 연장부(76d)의 외면(76h)까지의 간격(d3)이 일정해지도록 구성된다. 도 12에 나타나는 제2 원통부(78f)의 축방향의 길이는, 제1 원통부(76f)의 축방향의 길이와 동일하다. 변형예에 있어서, 제2 원통부(78f)의 축방향의 길이는, 제1 원통부(76f)의 축방향의 길이보다 커도 되고, 작아도 된다.

제2 테이퍼부(78g)는, 제2 연장부(78d)의 내면(78e)의 직경방향의 폭이 축방향으로 변화하는 부분이며, 제2 연장부(78d)의 내면(78e)의 직경방향의 폭이 아크챔버(50)의 내부를 향함에 따라 작아지는 부분이다. 제2 테이퍼부(78g)는, 제1 서멀실드(76)의 제1 테이퍼부(76g)와 직경방향으로 간극을 두고 이웃하도록 배치되고, 제1 테이퍼부(76g)를 따라 배치된다. 제2 테이퍼부(78g)는, 적어도 내면(78e)이 원뿔형상이 되도록 구성된다. 도 12에 나타나는 제2 테이퍼부(78g)는, 제2 연장부(78d)의 내면(78e)부터 제1 연장부(76d)의 외면(76h)까지의 간격(d4)이 일정해지도록 구성된다. 또한, 변형예에 있어서, 간격(d4)이 축방향의 위치에 따라 변화해도 되고, 아크챔버(50)의 내부를 향함에 따라 간격(d4)이 작아지도록 구성되어도 되며, 아크챔버(50)의 내부를 향함에 따라 간격(d4)이 커지도록 구성되어도 된다. 도 12에 나타나는 제2 테이퍼부(78g)의 축방향의 길이는, 제1 테이퍼부(76g)의 축방향의 길이보다 크다. 변형예에 있어서, 제2 테이퍼부(78g)의 축방향의 길이는, 제1 테이퍼부(76g)의 축방향의 길이와 동일해도 되고, 그것보다 작아도 된다.

제2 실시형태에서는, 상술한 특징 (1) 및 (2)를 조합하여 채용함으로써, 저아크조건에 있어서 보다 많은 다가이온이 생성되도록 한다. 구체적으로는, 복수의 서멀실드(76, 78)를 조합하여 이용함으로써, 하나의 서멀실드(76)를 이용하는 경우에 비하여 제1 캐소드캡(72)의 온도상승을 촉진할 수 있다. 또한, 제1 서멀실드(76)를 이용하여, 제1 캐소드캡(72)으로부터 아크챔버(50)의 내부공간(S)을 향하여 열전자가 방출되는 범위를 좁게 함으로써, 보다 좁은 범위에 의하여 고밀도의 플라즈마를 생성할 수 있다.

(제2 실시형태에 관한 변형예)

이하, 도 13의 (a)~도 16의 (b)를 참조하여, 제2 실시형태에 관한 제1 캐소드(154)의 변형예를 나타낸다. 이하에서는, 제1 캐소드캡(72), 제1 서멀실드(76) 및 제2 서멀실드(78)의 구조를 나타내면서, 상술한 실시형태에서 설명한 내용과의 상위점을 중심으로 설명하고, 공통점에 대해서는 설명을 적절히 생략한다.

도 13의 (a)~(c)는, 변형예에 관한 제1 캐소드(154A, 154B, 154C)의 구성을 모식적으로 나타내는 단면도이다. 도 13의 (a)에 나타내는 제1 캐소드(154A)에서는, 제1 선단부(76a) 및 제2 선단부(78a)의 축방향의 위치가 동일하며, 제1 선단부(76a) 및 제2 선단부(78a)는, 제1 캐소드캡(72)의 선단(선단면(72d))보다 아크챔버의 내부를 향하여 돌출되어 있다. 도 13의 (b)에 나타내는 제1 캐소드(154B)에서는, 제1 캐소드캡(72)의 선단(선단면(72d)), 제1 선단부(76a) 및 제2 선단부(78a)의 축방향의 위치가 동일하다. 도 13의 (c)에 나타내는 제1 캐소드(154C)에서는, 제1 선단부(76a) 및 제2 선단부(78a)의 축방향의 위치가 동일하며, 제1 캐소드캡(72)의 선단(선단면(72d))이 제1 선단부(76a) 및 제2 선단부(78a)보다 아크챔버의 내부를 향하여 돌출되어 있다.

도 14의 (a)~(c)는, 변형예에 관한 제1 캐소드(154D, 154E, 154F)의 구성을 모식적으로 나타내는 단면도이다. 도 14의 (a)에 나타내는 제1 캐소드(154D)에서는, 제1 캐소드캡(72)의 선단(선단면(72d))과 제1 선단부(76a)의 축방향의 위치가 동일하며, 제2 선단부(78a)는, 제1 캐소드캡(72)의 선단(선단면(72d)) 및 제1 선단부(76a)보다 아크챔버의 내부를 향하여 돌출되어 있다. 도 14의 (b)에 나타내는 제1 캐소드(154E)에서는, 제1 캐소드캡(72)의 선단(선단면(72d)) 및 제2 선단부(78a)의 축방향의 위치가 동일하며, 제1 캐소드캡(72)의 선단(선단면(72d)) 및 제2 선단부(78a)는, 제1 선단부(76a)보다 아크챔버의 내부를 향하여 돌출되어 있다. 도 14의 (c)에 나타내는 제1 캐소드(154F)에서는, 제1 선단부(76a)보다 제2 선단부(78a)가 아크챔버의 내부를 향하여 돌출되어 있으며, 제2 선단부(78a)보다 제1 캐소드캡(72)의 선단(선단면(72d))이 아크챔버의 내부를 향하여 돌출되어 있다.

도 15의 (a), (b)는, 변형예에 관한 제1 캐소드(154G, 154H)의 구성을 모식적으로 나타내는 단면도이다. 도 15의 (a), (b)에 나타내는 제1 캐소드(154G, 154H)에서는, 제2 서멀실드(78)의 제2 선단부(78a)가 직경방향 내측으로 뻗어 있도록 구성된다. 또, 제2 선단개구(78c)는, 아크챔버의 내부를 향함에 따라 직경방향의 폭이 커지는 테이퍼형상을 갖는다.

도 15의 (a)에 있어서, 제2 선단개구(78c)에 있어서의 직경방향의 제2 개구폭(w2)은, 제1 캐소드캡(72)의 열전자방출면(72a)의 최대폭(wa)보다 작고, 제1 선단개구(76c)에 있어서의 직경방향의 제1 개구폭(w1) 및 제1 캐소드캡(72)의 열전자방출면(72a)의 직경방향의 선단폭(wb)(선단면(72d)의 직경방향의 폭(wb))보다 커지도록 구성된다. 또한, 또 다른 변형예에 있어서, 제2 선단개구(78c)의 제2 개구폭(w2)은, 제1 선단개구(76c)의 제1 개구폭(w1)과 동일해도 된다. 즉, 제2 선단개구(78c)의 제2 개구폭(w2)은, 제1 선단개구(76c)의 제1 개구폭(w1) 이상이어도 된다.

도 15의 (b)에서는, 제2 선단개구(78c)에 있어서의 직경방향의 제2 개구폭(w2)은, 제1 캐소드캡(72)의 열전자방출면(72a)의 최대폭(wa) 및 제1 선단개구(76c)에 있어서의 직경방향의 제1 개구폭(w1)보다 작고, 제1 캐소드캡(72)의 열전자방출면(72a)의 직경방향의 선단폭(wb)(선단면(72d)의 직경방향의 폭(wb))보다 커지도록 구성된다. 이 경우, 제2 선단개구(78c)도 제1 선단개구(76c)와 동일하게, 열전자방출면(72a)로부터 방출되는 열전자의 통과범위를 좁히도록 구성된다. 또 다른 변형예에 있어서, 제2 선단개구(78c)의 제2 개구폭(w2)은, 제1 캐소드캡(72)의 열전자방출면(72a)의 직경방향의 선단폭(wb)(선단면(72d)의 직경방향의 폭(wb))과 동일해도 되고, 그것보다 작아도 된다.

도 15의 (a), (b)에서는, 직경방향 내측으로 뻗어 있는 제2 선단부(78a)에 의하여 제2 선단개구(78c)의 제2 개구폭(w2)을 조정하고 있다. 또 다른 변형예에서는, 제2 선단부(78a)가 직경방향 내측으로 뻗지 않는 구성, 즉, 도 12~도 14의 (c)에 나타나는 바와 같은 구성에 있어서, 제1 캐소드캡(72)의 열전자방출면(72a)의 최대폭(wa), 선단폭(wb)(선단면(72d)의 직경방향의 폭(wb)), 제1 선단개구(76c)의 제1 개구폭(w1) 중 어느 하나와 동일하거나, 또는, 어느 하나보다 작은 제2 개구폭(w2)이 설정되어도 된다.

도 16의 (a), (b)는, 변형예에 관한 제1 캐소드(154I, 154J)의 구성을 모식적으로 나타내는 단면도이다. 도 16의 (a), (b)에 나타내는 제1 캐소드(154I, 154J)에 있어서, 제2 서멀실드(78)의 제2 연장부(78d)는, 제2 원통부(78f)를 갖지만, 제2 테이퍼부(78g)를 갖지 않는다. 도 16의 (a), (b)에서는, 제2 원통부(78f)가 제1 테이퍼부(76g)와 직경방향으로 간극을 두고 이웃하고 있으며, 제2 원통부(78f)의 선단에 제2 선단부(78a)가 마련된다.

도 16의 (a)에 있어서, 제2 선단부(78a)는, 제2 원통부(78f)로부터 직경방향 내측으로 뻗어 있다. 또, 제2 선단개구(78c)는, 아크챔버의 내부를 향함에 따라 직경방향의 폭이 커지는 테이퍼형상을 갖는다. 도 16의 (a)에 있어서, 제2 선단개구(78c)에 있어서의 직경방향의 제2 개구폭(w2)은, 제1 선단개구(76c)에 있어서의 직경방향의 제1 개구폭(w1)보다 작고, 제1 캐소드캡(72)의 열전자방출면(72a)의 직경방향의 선단폭(wb)(선단면(72d)의 직경방향의 폭(wb))보다 크다. 이 경우, 제2 선단개구(78c)도 제1 선단개구(76c)와 동일하게, 열전자방출면(72a)로부터 방출되는 열전자의 통과범위를 좁히도록 구성된다. 또 다른 변형예에 있어서, 제2 선단개구(78c)의 제2 개구폭(w2)은, 제1 캐소드캡(72)의 열전자방출면(72a)의 직경방향의 선단폭(wb)(선단면(72d)의 직경방향의 폭(wb))과 동일해도 되고, 그것보다 작아도 된다. 또한, 제2 선단개구(78c)의 제2 개구폭(w2)은, 제1 선단개구(76c)의 제1 개구폭(w1)과 동일해도 되고, 그것보다 커도 된다. 이 경우, 제2 선단개구(78c)의 제2 개구폭(w2)은, 제1 서멀실드(76)의 제1 연장부(76d)의 직경방향의 최대폭(w1a)보다 작아도 되고, 그것과 동일해도 되며, 그것보다 커도 된다.

도 16의 (b)에 있어서, 제2 선단부(78a)는, 제2 원통부(78f)로부터 직경방향 내측으로 뻗어 있지 않다. 따라서, 도 16의 (b)에서는, 제2 선단개구(78c)에 있어서의 직경방향의 제2 개구폭(w2)은, 제2 연장부(78d)의 내면(78e)의 직경방향의 폭에 대응하고, 제1 연장부(76d)의 직경방향의 최대폭(w1a)보다 크다.

제2 실시형태의 또 다른 변형예에서는, 제2 서멀실드(78)의 형상으로서 도 9의 (a), 도 10의 (a), (b)에 나타나는 제1 서멀실드(76)와 동일한 형상을 채용해도 된다. 또, 제1 캐소드캡(72)의 형상으로서, 도 11의 (a)~(o)에 나타나는 제1 캐소드캡(72)을 채용해도 된다. 또한, 제2 실시형태에 있어서도, 도 3~도 10의 (b)에 나타나는 제1 캐소드캡(72)과 제1 서멀실드(76)의 배치에 관한 특징, 및, 도 3~도 10의 (b)에 나타나는 제1 서멀실드(76)의 형상에 관한 특징은, 적절히 조합하여 이용할 수 있다.

(제3 실시형태)

도 17은, 제3 실시형태에 관한 제1 캐소드(254)의 구성을 상세하게 나타내는 단면도이다. 제3 실시형태에 관한 제1 캐소드(254)는, 제1 서멀실드(276)가 아크챔버(50)에 장착되어 있는 점에서, 제1 실시형태와 상이하다. 이하, 제3 실시형태에 대하여, 제1 실시형태와의 상위점을 중심으로 설명하고, 공통점에 대해서는 설명을 적절히 생략한다.

제1 캐소드(254)는, 제1 가열원(70)과, 제1 캐소드캡(72)과, 제1 서멀브레이크(74)와, 제1 서멀실드(276)를 포함한다. 제1 가열원(70), 제1 캐소드캡(72) 및 제1 서멀브레이크(74)는, 제1 실시형태와 동일하게 구성된다.

제1 서멀실드(276)는, 제1 캐소드캡(72)의 직경방향 외측에 마련된다. 제1 서멀실드(276)는, 아크챔버(50)의 내부를 향하여 화살표 A1의 방향으로 돌출되는 제1 선단부(276a)와, 아크챔버(50)의 외부를 향하여 화살표 A2의 방향으로 돌출되는 제1 말단부(276b)를 갖는다. 제1 선단부(276a)는, 제1 캐소드캡(72)보다 아크챔버(50)의 내부를 향하여 돌출되어 있다. 즉, 제1 선단부(276a)의 축방향의 위치는, 제1 캐소드캡(72)의 선단(선단면(72d))의 축방향의 위치보다 아크챔버(50)의 내부측에 있다. 제1 말단부(276b)는, 아크챔버(50)에 장착되고, 예를 들면, 아크챔버(50)의 제1 단벽(50c)에 장착된다. 제1 서멀실드(276)는, 제1 단벽(50c)과 일체가 되도록 구성되어도 되고, 제1 단벽(50c)으로부터 아크챔버(50)의 내부를 향하여 축방향으로 뻗어 있도록 구성되어도 된다.

제1 서멀실드(276)는, 제1 선단부(276a)에 있어서 축방향으로 개구되는 제1 선단개구(276c)를 갖는다. 제1 선단개구(276c)는, 제1 캐소드캡(72)으로부터 내부공간(S)을 향하여 공급되는 열전자를 통과시킨다. 제1 선단개구(276c)에 있어서의 직경방향의 제1 개구폭(w1)은, 제1 캐소드캡(72)의 직경방향의 최대폭(플랜지(72c)의 위치에서의 직경방향의 폭)보다 작고, 열전자방출면(72a)의 직경방향의 최대폭(wa)보다 작다. 제1 선단개구(276c)의 제1 개구폭(w1)은, 열전자방출면(72a)의 직경방향의 선단폭(wb)(선단면(72d)의 직경방향의 폭(wb))보다 크다.

제1 서멀실드(276)는, 제1 말단부(276b)로부터 제1 선단부(276a)를 향하여 축방향으로 통형상에 뻗어 있는 제1 연장부(276d)를 갖는다. 제1 연장부(276d)는, 제1 캐소드캡(72)과 직경방향으로 간극을 두고 이웃한다. 제1 연장부(276d)는, 제1 연장부(276d)의 내면(276e)의 직경방향의 폭이 아크챔버(50)의 내부를 향함에 따라 작아지는 제1 테이퍼부(276g)를 갖는다. 제1 연장부(276d)는, 그 전체가 제1 테이퍼부(276g)가 되도록 구성된다. 제1 테이퍼부(276g)는, 제1 캐소드캡(72)과 직경방향으로 간극을 두고 이웃하도록 배치되며, 제1 캐소드캡(72)의 열전자방출면(72a)(측면(72e))을 따라 배치된다. 제1 테이퍼부(276g)는, 적어도 내면(276e)이 원뿔대형상이 되도록 구성된다. 제1 테이퍼부(276g)는, 예를 들면, 제1 연장부(276d)의 내면(276e)부터 제1 캐소드캡(72)까지의 간격(d2)이 일정해지도록 구성된다. 예를 들면, 제1 테이퍼부(276g)의 내면(276e)의 직경방향에 대한 경사각(θ2)은, 제1 캐소드캡(72)의 측면(72e)의 직경방향에 대한 경사각(θ1)과 동일하다. 제1 테이퍼부(276g)는, 외면(276h)이 원뿔대형상이 되도록 구성되어도 된다.

제3 실시형태에 있어서, 제1 서멀실드(276)의 전위는, 아크챔버(50)의 전위와 동일하다. 아크챔버(50)와 제1 캐소드캡(72)의 사이에는 제1 아크전원(58c)에 의한 아크전압이 인가되어 있다. 그 때문에, 제1 서멀실드(276)의 전위는, 제1 캐소드캡(72) 및 제1 서멀브레이크(74)의 전위와는 상이하며, 제1 캐소드캡(72) 및 제1 서멀브레이크(74)보다 아크전압 만큼 높다. 제1 캐소드캡(72) 및 제1 서멀브레이크(74)에 대한 제1 서멀실드(276)의 전위(즉, 아크전압)는, 예를 들면, +30V~+150V이다.

제3 실시형태에서는, 상술한 특징 (3)을 채용함으로써, 저아크조건에 있어서 보다 많은 다가이온이 생성되도록 한다. 구체적으로는, 제1 서멀실드(276)에 열전자를 인출하기 위한 전압(여기에서는, 아크전압과 동등하다)을 인가함으로써, 제1 캐소드캡(72)으로부터 아크챔버(50)의 내부를 향하여 열전자를 보다 효율적으로 인출할 수 있다. 그 결과, 제1 서멀실드(276) 및 제1 캐소드캡(72)의 전위가 동일해지는 경우에 비하여, 아크챔버(50)의 내부공간(S)을 향하여 보다 많은 열전자를 공급할 수 있고, 저아크조건이더라도, 보다 고밀도의 플라즈마를 생성할 수 있다.

제3 실시형태에 의하면, 제1 서멀실드(276)의 제1 선단부(276a)를 제1 캐소드캡(72)의 선단(선단면(72d))보다 아크챔버(50)의 내부를 향하여 돌출시킴으로써, 제1 캐소드캡(72)의 선단(선단면(72d))으로부터 방출되는 열전자를 보다 효율적으로 인출할 수 있다. 이로써, 제1 선단부(276a)보다 제1 캐소드캡(72)의 선단(선단면(72d))이 아크챔버(50)의 내부를 향하여 돌출되는 구성에 비하여, 아크챔버(50)의 내부공간(S)을 향하여 보다 많은 열전자를 공급할 수 있다.

제3 실시형태에 있어서, 상술한 특징 (1)을 더 조합하여 채용함으로써, 저아크조건에 있어서 보다 많은 다가이온을 생성할 수 있다. 구체적으로는, 제1 서멀실드(276)의 제1 선단부(276a)에 있어서의 직경방향의 제1 개구폭(w1)을 열전자방출면(72a)의 직경방향의 최대폭(wa)보다 작게 함으로써, 아크챔버(50)의 내부공간(S)의 보다 좁은 범위에 보다 많은 열전자를 공급하고, 보다 고밀도의 플라즈마를 생성할 수 있다.

(제3 실시형태에 관한 변형예)

제3 실시형태에 있어서도, 제1 실시형태에 관한 변형예에 있어서의 제1 서멀실드(76)와 동일한 구조를 채용할 수 있다. 제1 서멀실드(276)는, 제1 서멀실드(276)의 내면(276e)부터 제1 캐소드캡(72)까지의 간격(d2)이 축방향의 위치에 따라 변화해도 된다. 제1 서멀실드(276)의 내면(276e)부터 제1 캐소드캡(72)까지의 간격(d2)은, 도 6의 (a)와 같이 아크챔버의 내부를 향함에 따라 작아지도록 구성되어도 된다. 제1 서멀실드(276)의 내면(276e)부터 제1 캐소드캡(72)까지의 간격(d2)은, 도 6의 (b)과 같이 아크챔버의 내부를 향함에 따라 커지도록 구성되어도 된다.

제1 서멀실드(276)는, 도 7의 (a)와 동일하게, 제1 선단부(276a)에 있어서의 직경방향의 제1 개구폭(w1)이 열전자방출면(72a)의 직경방향의 선단폭(wb)(선단면(72d)의 직경방향의 폭(wb))과 동일해지도록 구성되어도 된다. 제1 서멀실드(276)는, 도 7의 (b)와 동일하게, 제1 선단부(276a)에 있어서의 직경방향의 제1 개구폭(w1)이 열전자방출면(72a)의 직경방향의 선단폭(wb)(선단면(72d)의 직경방향의 폭(wb))보다 작아지도록 구성되어도 된다.

제1 서멀실드(276)는, 도 8의 (a)와 동일하게, 제1 선단부(276a)가 직경방향 내측으로 뻗어 있도록 구성되어도 된다. 이 경우, 제1 선단개구(276c)는, 아크챔버의 내부를 향함에 따라 직경방향의 폭이 커지는 테이퍼형상을 가져도 된다. 제1 선단개구(276c)에 있어서의 직경방향의 제1 개구폭(w1)은, 열전자방출면(72a)의 직경방향의 선단폭(wb)(선단면(72d)의 직경방향의 폭(wb))보다 작아도 되고, 그것과 동일해도 되며, 그것보다 커도 된다.

제1 서멀실드(276)는, 도 9의 (a)와 동일하게, 제1 테이퍼부(276g)의 내면(276e)만이 테이퍼형상이 되고, 제1 테이퍼부(276g)의 외면이 테이퍼형상이 되지 않도록 구성되어도 된다. 제1 서멀실드(276)는, 도 9의 (b)와 동일하게, 제1 연장부(276d)가 제1 원통부만을 포함하고, 제1 테이퍼부(276g)를 포함하지 않도록 구성되어도 된다. 이 경우, 제1 선단부(276a)는, 직경방향 내측으로 뻗어 있도록 구성되어도 된다. 제1 선단개구(276c)는, 아크챔버의 내부를 향함에 따라 직경방향의 폭이 커지는 테이퍼형상을 가져도 된다.

제1 서멀실드(276)는, 도 10의 (a)와 동일하게, 제1 테이퍼부(276g)가 돔상으로 구성되어도 된다. 즉, 제1 테이퍼부(276g)의 내면(276e) 및 외면(276h)은, 직경방향 외측 및 아크챔버의 내부측에 향하여 볼록해지는 곡면으로 구성되어도 된다. 제1 테이퍼부(276g)의 내면(276e) 및 외면(276h)은, 구면, 타원구면 또는 회전 포물면의 일부가 되도록 구성되어도 된다.

도 18의 (a), (b)는, 변형예에 관한 제1 캐소드(254A, 254B)의 구성을 모식적으로 나타내는 단면도이다. 도 18의 (a)에 나타내는 제1 캐소드(254) A에 있어서, 제1 서멀실드(276)의 제1 연장부(276d)는, 제1 원통부(276f) 및 제1 테이퍼부(276g)를 갖는다. 제1 원통부(276f)는, 제1 연장부(276d)의 내면(276e)의 직경방향의 폭이 일정해지는 부분이다. 제1 원통부(276f)는, 제1 테이퍼부(276g)보다 아크챔버의 외부측에 마련된다. 제1 말단부(276b)는, 제1 원통부(276f)의 말단에 마련된다. 제1 테이퍼부(276g)는, 제1 원통부(276f)보다 아크챔버의 내부측에 마련된다. 제1 선단부(276a)는, 제1 테이퍼부(276g)의 선단에 마련된다.

도 18의 (a)에 있어서, 제1 선단개구(276c)에 있어서의 직경방향의 제1 개구폭(w1)은, 제1 캐소드캡(72)의 열전자방출면(72a)의 직경방향의 최대폭(wa)보다 작고, 열전자방출면(72a)의 직경방향의 선단폭(wb)(선단면(72d)의 직경방향의 폭(wb))보다 크다. 또한, 제1 선단개구(276c)의 제1 개구폭(w1)은, 열전자방출면(72a)의 직경방향의 최대폭(wa)과 동일해도 되고, 그것보다 커도 된다. 제1 선단개구(276c)의 제1 개구폭(w1)은, 열전자방출면(72a)의 직경방향의 선단폭(wb)(선단면(72d)의 직경방향의 폭(wb))과 동일해도 되고, 그것보다 작아도 된다.

도 18의 (b)에 나타내는 제1 캐소드(254B)에 있어서, 제1 서멀실드(276)의 제1 연장부(276d)는, 제1 원통부(276f)를 갖지만, 제1 테이퍼부(예를 들면, 도 18의 (a)의 276g)를 갖지 않는다. 제1 연장부(276d)는, 제1 연장부(276d)의 내면(276e)의 직경방향의 폭이 일정해지도록 구성된다. 제1 선단부(276a)는, 제1 원통부(276f)의 선단에 마련된다. 제1 말단부(276b)는, 제1 원통부(276f)의 말단에 마련된다. 도 18의 (b)에 있어서, 제1 선단개구(276c)에 있어서의 직경방향의 제1 개구폭(w1)은, 제1 캐소드캡(72)의 열전자방출면(72a)의 직경방향의 최대폭(wa)보다 크다.

제3 실시형태의 또 다른 변형예에서는, 제1 캐소드캡(72)의 형상으로서, 도 11의 (a)~(o)에 나타나는 제1 캐소드캡(72)의 형상을 채용해도 된다.

제3 실시형태의 또 다른 변형예에서는, 제1 서멀실드(276)의 전위는, 아크챔버(50)의 전위와 상이해도 된다. 이 경우, 제1 서멀실드(276)와 아크챔버(50)의 사이에 마련되는 전기 절연부재를 개재하여, 제1 서멀실드(276)가 제1 단벽(50c)에 장착되어도 된다. 제1 서멀실드(276)의 전위는, 아크챔버(50)의 전위보다 낮아도 된다. 예를 들면, 제1 캐소드캡(72)에 대한 아크챔버(50)의 전위가 +30V~+150V인 한편, 제1 캐소드캡(72)에 대한 제1 서멀실드(276)의 전위가 +5V~+100V여도 된다.

(제4 실시형태)

도 19는, 제4 실시형태에 관한 제1 캐소드(354)의 구성을 상세하게 나타내는 단면도이다. 제4 실시형태에 관한 제1 캐소드(354)는, 아크챔버(50)에 장착되는 제2 서멀실드(378)를 포함하는 점에서, 제1 실시형태 및 제2 실시형태와 상이하다. 이하, 제4 실시형태에 대하여, 제1 실시형태와의 상위점을 중심으로 설명하고, 공통점에 대해서는 설명을 적절히 생략한다.

제1 캐소드(354)는, 제1 가열원(70)과, 제1 캐소드캡(72)과, 제1 서멀브레이크(74)와, 제1 서멀실드(76)와, 제2 서멀실드(378)를 포함한다. 제1 가열원(70), 제1 캐소드캡(72), 제1 서멀브레이크(74) 및 제1 서멀실드(76)는, 제1 실시형태와 동일하게 구성된다.

제2 서멀실드(378)는, 제1 서멀실드(76)의 직경방향 외측에 있어서 축방향으로 통형상으로 뻗어 있다. 제2 서멀실드(378)는, 축방향에 대하여 회전대칭인 형상을 갖고, 예를 들면, 도 4에 나타내는 중심축(C)과 동축으로 되도록 배치된다. 제2 서멀실드(378)는, 고온상태가 되는 제1 서멀실드(76)로부터의 열복사를 반사하고, 제1 서멀실드(76)로부터의 열방출을 억제함으로써, 제1 서멀실드(76)의 온도상승을 촉진한다. 제2 서멀실드(378)는, 제1 서멀실드(76)의 온도상승을 촉진함으로써, 제1 서멀브레이크(74) 및 제1 캐소드캡(72)의 온도상승을 촉진한다.

제4 실시형태에 있어서, 제2 서멀실드(378)의 전위는, 아크챔버(50)의 전위와 동일하며, 제1 서멀실드(76)의 전위는, 제1 캐소드캡(72)의 전위와 동일하다. 아크챔버(50)와 제1 캐소드캡(72)의 사이에는 제1 아크전원(58c)에 의한 아크전압이 인가되어 있다. 그 때문에, 제2 서멀실드(378)의 전위는, 제1 캐소드캡(72), 제1 서멀브레이크(74) 및 제1 서멀실드(76)의 전위와는 상이하며, 제1 캐소드캡(72), 제1 서멀브레이크(74) 및 제1 서멀실드(76)보다 아크전압 만큼 높다. 제1 캐소드캡(72), 제1 서멀브레이크(74) 및 제1 서멀실드(76)에 대한 제2 서멀실드(378)의 전위(즉, 아크전압)는, 예를 들면, +30V~+150V이다.

제2 서멀실드(378)는, 아크챔버(50)의 내부를 향하여 화살표 A1의 방향으로 돌출되는 제2 선단부(378a)와, 아크챔버(50)의 외부를 향하여 화살표 A2의 방향으로 돌출되는 제2 말단부(378b)를 갖는다. 제2 선단부(378a)는, 제1 캐소드캡(72) 및 제1 서멀실드(76)보다 아크챔버(50)의 내부를 향하여 돌출되어 있다. 즉, 제2 선단부(378a)의 축방향의 위치는, 제1 캐소드캡(72)의 선단(선단면(72d))의 축방향의 위치보다 아크챔버(50)의 내부측에 있으며, 제1 서멀실드(76)의 제1 선단부(76a)의 축방향의 위치보다 아크챔버(50)의 내부측에 있다. 제2 말단부(378b)는, 아크챔버(50)에 장착되고, 예를 들면, 아크챔버(50)의 제1 단벽(50c)에 장착된다.

제2 서멀실드(378)는, 제2 선단부(378a)에 있어서 축방향으로 개구되는 제2 선단개구(378c)를 갖는다. 제2 선단개구(378c)는, 제1 캐소드캡(72)으로부터 내부공간(S)을 향하여 공급되는 열전자를 통과시킨다. 제2 선단개구(378c)에 있어서의 직경방향의 제2 개구폭(w2)은, 제1 서멀실드(76)의 외면(76h)의 직경방향의 최대폭(w1a)보다 작다. 도 19에 나타나는 제2 선단개구(378c)의 제2 개구폭(w2)은, 제1 선단개구(76c)에 있어서의 직경방향의 제1 개구폭(w1)보다 크고, 열전자방출면(72a)의 직경방향의 최대폭(wa)보다 크다. 또한, 제2 선단개구(378c)의 제2 개구폭(w2)은, 제1 선단개구(76c)에 있어서의 직경방향의 제1 개구폭(w1)과 동일해도 된다. 즉, 제2 선단개구(378c)의 제2 개구폭(w2)은, 제1 선단개구(76c)에 있어서의 직경방향의 제1 개구폭(w1) 이상이어도 된다.

제2 서멀실드(378)는, 제2 말단부(378b)로부터 제2 선단부(378a)를 향하여 축방향으로 통형상으로 뻗어 있는 제2 연장부(378d)를 갖는다. 제2 연장부(378d)는, 제1 서멀실드(76)의 제1 연장부(76d)와 직경방향으로 간극을 두고 이웃한다. 제2 연장부(378d)는, 제2 연장부(378d)의 내면(378e)의 직경방향의 폭이 아크챔버(50)의 내부를 향함에 따라 작아지는 제2 테이퍼부(378g)를 갖는다. 제2 연장부(378d)는, 그 전체가 제2 테이퍼부(378g)가 되도록 구성된다. 제2 테이퍼부(378g)는, 제1 테이퍼부(76g)와 직경방향으로 간극을 두고 이웃하도록 배치되며, 제1 테이퍼부(76g)의 외면(76h)을 따라 배치된다. 제2 테이퍼부(378g)는, 적어도 내면(378e)이 원뿔대형상이 되도록 구성된다. 제2 테이퍼부(378g)는, 외면(378h)가 원뿔대형상이 되도록 구성되어도 된다. 제2 테이퍼부(378g)는, 예를 들면, 제2 연장부(378d)의 내면(378e)부터 제1 연장부(76d)의 외면(76h)까지의 간격(d4)이 일정해지도록 구성된다.

제4 실시형태에서는, 상술한 특징 (1)~(3)을 조합하여 채용함으로써, 저아크조건에 있어서 보다 많은 다가이온이 생성되도록 한다. 구체적으로는, 제1 서멀실드(76)을 이용하여, 제1 캐소드캡(72)으로부터 아크챔버(50)의 내부공간(S)을 향하여 열전자가 방출되는 범위를 좁게 함으로써, 보다 좁은 범위에 의하여 고밀도의 플라즈마를 생성할 수 있다. 또, 복수의 서멀실드(76, 378)를 이용함으로써, 하나의 서멀실드(76)를 이용하는 경우에 비하여 제1 캐소드캡(72)의 온도상승을 촉진할 수 있다. 또한, 제2 서멀실드(378)에 열전자를 인출하기 위한 전압(여기에서는, 아크전압과 동등하다)을 인가함으로써, 제1 캐소드캡(72)으로부터 아크챔버(50)의 내부를 향하여 열전자를 보다 효율적으로 인출할 수 있다.

제4 실시형태에 의하면, 제2 선단개구(378c)의 제2 개구폭(w2)이 제1 선단개구(76c)에 있어서의 직경방향의 제1 개구폭(w1) 이상이 되기 때문에, 제1 캐소드캡(72)으로부터 아크챔버(50)의 내부공간(S)을 향하여 열전자가 방출되는 범위는, 제1 선단개구(76c)의 제1 개구폭(w1)에 의하여 제한된다. 그 결과, 제1 서멀실드(76)에 의하여 상술한 특징 (1)을 실현하고, 제2 서멀실드(378)에 의하여 특징 (3)을 실현할 수 있다. 2개의 특징 (1), (3)의 각각을 개별의 서멀실드(76, 378)에 의하여 실현함으로써, 각각의 특징 (1), (3)에 최적으로 되도록 서멀실드(76, 378)의 형상을 결정할 수 있다.

(제4 실시형태에 관한 변형예)

도 20은, 변형예에 관한 제1 캐소드(354A)의 구성을 상세하게 나타내는 단면도이다. 도 20에 나타내는 제1 캐소드(354A)에 있어서, 제2 서멀실드(378)는, 아크챔버(50)의 제1 단벽(50c)과 일체가 되도록 구성된다. 즉, 아크챔버(50)의 제1 단벽(50c)은, 아크챔버(50)의 내부에 축방향으로 뻗어 있도록 구성되는 제2 서멀실드(378)를 갖는다.

제2 서멀실드(378)는, 제1 단벽(50c)에 접합되는 제2 말단부(378b)를 갖는다. 제2 서멀실드(378)는, 제2 말단부(378b)로부터 제2 선단부(378a)를 향하여 축방향으로 뻗어 있는 제2 연장부(378d)를 갖는다. 제2 연장부(378d)는, 제2 연장부(378d)의 내면(378e) 및 외면(378h)의 직경방향의 폭이 일정해지도록 구성되는 제2 원통부(378f)를 갖는다. 제2 연장부(378d)는, 제2 원통부(378f)만으로 구성되고, 제2 테이퍼부(예를 들면 도 19의 378g)를 갖지 않는다. 제2 선단부(378a)는, 제2 연장부(378d)의 선단으로부터 직경방향 내측으로 뻗어 있도록 구성된다. 제2 선단개구(378c)는, 아크챔버(50)의 내부를 향함에 따라 직경방향의 폭이 커지는 테이퍼형상을 갖는다.

또한, 도 20에 나타내는 제2 연장부(378d)는, 도 19에 나타내는 바와 같이 제2 테이퍼부(378g)만을 가져도 된다. 도 20에 나타내는 제2 연장부(378d)는, 도 18의 (a)에 나타나는 제1 서멀실드(276)와 동일하게, 제2 원통부(378f) 및 제2 테이퍼부(378g)의 쌍방을 가져도 된다. 제2 선단개구(378c)의 제2 개구폭(w2)은, 제1 서멀실드(76)의 외면(76h)의 직경방향의 최대폭(w1a)보다 커도 되고, 그것과 동일해도 되며, 그것보다 작아도 된다. 제2 선단개구(378c)의 제2 개구폭(w2)은, 제1 캐소드캡(72)의 직경방향의 최대폭보다 커도 되고, 그것과 동일해도 되며, 그것보다 작아도 된다. 제2 선단개구(378c)의 제2 개구폭(w2)은, 열전자방출면(72a)의 직경방향의 최대폭(wa)보다 커도 되고, 그것과 동일해도 되며, 그것보다 작아도 된다. 제2 선단개구(378c)의 제2 개구폭(w2)은, 제1 선단개구(76c)의 제1 개구폭(w1)보다 커도 되고, 그것과 동일해도 되며, 그것보다 작아도 된다. 제2 선단개구(378c)의 제2 개구폭(w2)은, 열전자방출면(72a)의 직경방향의 선단폭(wb)(선단면(72d)의 직경방향의 폭(wb))보다 커도 되고, 그것과 동일해도 되며, 그것보다 작아도 된다.

제4 실시형태에 있어서도, 상술한 제1 실시형태에 관한 변형예를 적용할 수 있다. 제4 실시형태에 관한 제1 캐소드캡(72) 및 제1 서멀실드(76)로서, 도 3~도 10의 (b)에 나타나는 구조를 이용할 수 있다. 또, 제4 실시형태에 관한 제1 캐소드캡(72)의 형상으로서, 도 11의 (a)~(o)에 나타나는 형상을 이용할 수 있다. 또, 제4 실시형태에 관한 제2 서멀실드(378)로서, 도 12~도 16의 (b)에 나타나는 제2 서멀실드(78)와 동일한 구조를 이용해도 된다.

(제5 실시형태)

도 21은, 제5 실시형태에 관한 이온생성장치(410)의 개략구성을 나타내는 단면도이다. 제5 실시형태에서는, 리펠러(456)가 서멀실드(86)(이하, 제3 서멀실드(86)라고도 한다)를 포함하는 점에서, 상술한 제1 실시형태와 상이하다. 이하, 제5 실시형태에 대하여, 제1 실시형태와의 상위점을 중심으로 설명하고, 공통점에 대해서는 설명을 적절히 생략한다.

이온생성장치(410)는, 아크챔버(50)와, 자장생성기(52)와, 제1 캐소드(54)와, 리펠러(456)와, 제1 필라멘트전원(58a)과, 제1 캐소드전원(58b)과, 제1 아크전원(58c)과, 인출전원(58d)과, 리펠러전원(58e)을 구비한다. 아크챔버(50), 자장생성기(52), 제1 캐소드(54) 및 각종 전원(58a~58e)은, 제1 실시형태와 동일하게 구성된다. 또한, 리펠러전원(58e)이 마련되지 않아도 되고, 리펠러(456)가 부유전위가 되도록 구성되어도 된다. 또, 리펠러전원(58e)이 마련되지 않는 구성에 있어서, 리펠러(456)에 아크전원(58c)을 접속함으로써, 리펠러(456)에 아크전압을 인가해도 된다.

리펠러(456)는, 리펠러헤드(80)와, 리펠러축(82)과, 리펠러접속부(84)와, 제3 서멀실드(86)를 포함한다. 리펠러헤드(80) 및 리펠러축(82)은, 상술한 제1 실시형태와 동일하게 구성된다.

리펠러접속부(84)는, 리펠러헤드(80)와 리펠러축(82)의 사이에 마련되고, 직경방향으로 뻗어 있는 원판형상을 갖는다. 제3 서멀실드(86)는, 리펠러헤드(80)의 직경방향 외측에 마련되고, 리펠러접속부(84)의 외주로부터 아크챔버(50)의 내부를 향하여 축방향으로 통형상으로 뻗어 있다. 제3 서멀실드(86)는, 고온상태가 되는 리펠러헤드(80)로부터의 열복사를 반사하고, 리펠러헤드(80)로부터의 열방출을 억제함으로써, 리펠러헤드(80)의 온도상승을 촉진한다. 리펠러접속부(84) 및 제3 서멀실드(86)는, 고융점재료로 구성되고, 예를 들면, 텅스텐, 몰리브데넘, 탄탈럼 등의 고융점금속, 그들의 합금, 또는 그래파이트가 이용된다.

도 22는, 제5 실시형태에 관한 리펠러(456)의 구성을 상세하게 나타내는 단면도이며, 도 21에 나타나는 리펠러(456)의 확대도이다. 도 22에 있어서, 제2 단벽(50d)을 기준으로서, 아크챔버(50)의 외부에서 내부를 향하여 축방향으로 뻗는 방향을 화살표 A3으로 나타내고 있다. 화살표 A3은, 축방향을 따라 아크챔버(50)의 내부측을 향하는 방향이다. 화살표 A4는, 화살표 A3과는 반대의 방향이며, 축방향을 따라 아크챔버(50)의 외부측을 향하는 방향이다.

리펠러헤드(80)는, 아크챔버(50)의 내부를 향하여 축방향으로 돌출되는 중실부재이며, 내부공간(S)에 노출되도록 배치된다. 리펠러헤드(80)는, 축방향으로 뻗는 중심축(C)에 대하여 회전대칭인 형상을 갖고, 예를 들면, 원기둥의 상면 및 하면의 가장자리가 모따기된 형상을 갖는다. 리펠러헤드(80)는, 아크챔버(50)의 내부를 향하여 축방향으로 노출되는 평면으로 구성되는 선단면(80a)과, 아크챔버(50)의 외부로 향해지는 평면으로 구성되는 말단면(80b)과, 직경방향 외측으로 향해지는 원통면으로 구성되는 측면(80c)을 갖는다. 리펠러접속부(84)는, 축방향으로 뻗는 중심축(C)에 대하여 회전대칭인 형상을 갖고, 리펠러헤드(80) 및 리펠러축(82)과 동축으로 되도록 배치된다.

제3 서멀실드(86)는, 아크챔버(50)의 내부를 향하여 화살표 A3의 방향으로 돌출되는 제3 선단부(86a)를 갖는다. 제3 서멀실드(86)는, 제3 선단부(86a)에 있어서 축방향으로 개구되는 제3 선단개구(86c)를 갖는다. 제3 서멀실드(86)는, 리펠러접속부(84)로부터 제3 선단부(86a)를 향하여 축방향으로 통형상으로 뻗어 있는 제3 연장부(86d)를 갖는다. 제3 연장부(86d)는, 리펠러헤드(80)와 직경방향으로 간극을 두고 이웃한다. 제3 서멀실드(86)는, 축방향으로 뻗는 중심축(C)에 대하여 회전대칭인 형상을 갖는다. 제3 서멀실드(86)는, 예를 들면, 리펠러헤드(80), 리펠러축(82) 및 리펠러접속부(84)와 동축으로 되도록 배치되어 있다.

제3 서멀실드(86)의 제3 선단부(86a)의 축방향의 위치는, 리펠러헤드(80)의 선단(선단면(80a))의 축방향의 위치와 동일하다. 변형예에 있어서, 제3 서멀실드(86)의 제3 선단부(86a)는, 리펠러헤드(80)의 선단(선단면(80a))보다 아크챔버의 내부를 향하여 돌출되어도 된다. 다른 변형예에 있어서, 리펠러헤드(80)의 선단(선단면(80a))은, 제3 서멀실드(86)의 제3 선단부(86a)보다 아크챔버의 내부를 향하여 돌출되어도 된다.

제3 연장부(86d)는, 제3 원통부(86f)를 갖는다. 제3 원통부(86f)는, 제3 연장부(86d)의 내면(86e)의 직경방향의 폭이 일정해지는 부분이다. 제3 원통부(86f)는, 적어도 내면(86e)이 원통형상이 되도록 구성된다. 제3 원통부(86f)는, 예를 들면, 제3 연장부(86d)의 내면(86e)부터 리펠러헤드(80)의 측면(80c)까지의 간격(d5)이 일정해지도록 구성된다. 도 22에 나타나는 제3 연장부(86d)는, 제3 원통부(86f)만으로 구성되고, 테이퍼부를 갖지 않도록 구성된다. 또한, 변형예에 있어서, 제3 서멀실드(86)의 제3 연장부(86d)는, 제3 테이퍼부를 가져도 된다. 제3 테이퍼부는, 제3 연장부(86d)의 내면(86e)의 직경방향의 폭이 축방향의 위치에 따라 변화하도록 구성된다. 예를 들면, 제3 연장부(86d)의 내면(86e)의 직경방향의 폭은, 아크챔버의 내부를 향함에 따라 커지도록 구성되어도 되고, 반대로, 아크챔버의 내부를 향함에 따라 작아지도록 구성되어도 된다. 즉, 제3 연장부(86d)의 내면(86e)부터 리펠러헤드(80)의 측면(80c)까지의 간격(d5)은, 아크챔버의 내부를 향함에 따라 커지도록 구성되어도 되고, 반대로, 아크챔버의 내부를 향함에 따라 작아지도록 구성되어도 된다.

제5 실시형태에서는, 상술한 특징 (4)를 채용함으로써, 저아크조건에 있어서 보다 많은 다가이온이 생성되도록 한다. 리펠러헤드(80)는, 플라즈마생성영역(P)에서 생성되는 플라즈마와의 상호작용에 의하여 가열되어, 고온상태가 된다. 제3 서멀실드(86)는, 고온상태가 되는 리펠러헤드(80)로부터의 열복사를 반사하고, 리펠러헤드(80)로부터의 열방출을 억제함으로써, 리펠러헤드(80)의 온도상승을 촉진한다. 고온상태로 유지되는 리펠러헤드(80)로부터는 열전자가 방출되기 때문에, 이와 같은 온도상승의 촉진에 의하여, 리펠러헤드(80)로부터 아크챔버(50)의 내부공간(S)을 향하여 보다 많은 열전자를 공급할 수 있다. 따라서, 본 실시형태에 의하면, 리펠러헤드(80)의 주위에 제3 서멀실드(86)를 마련함으로써, 플라즈마생성영역(P)에 있어서의 플라즈마생성효율을 높일 수 있다.

제5 실시형태에 관한 리펠러(456)는, 제1 실시형태의 변형예에 관한 제1 캐소드와 조합하여 이용되어도 되고, 제2 실시형태, 제3 실시형태 혹은 제4 실시형태, 또는, 이들의 변형예에 관한 제1 캐소드와 조합하여 이용되어도 된다.

(제5 실시형태에 관한 변형예)

도 23은, 변형예에 관한 리펠러(456A)의 구성을 상세하게 나타내는 단면도이다. 리펠러(456A)는, 리펠러헤드(480)와, 리펠러축(82)과, 리펠러접속부(84)와, 제3 서멀실드(86)를 포함한다. 본 변형예에서는, 상술한 특징 (5)를 채용하고, 리펠러헤드(480)의 주위에 마련되는 제3 서멀실드(86)를 이용하여, 리펠러헤드(480)로부터 아크챔버(50)의 내부공간(S)을 향하여 열전자가 방출되는 범위를 좁게 한다. 본 변형예에 대하여, 상술한 제5 실시형태와의 상위점을 중심으로 설명하고, 공통점에 대해서는 설명을 적절히 생략한다.

리펠러헤드(480)는, 아크챔버(50)의 내부를 향함에 따라 직경방향의 폭이 작아지는 테이퍼형상을 갖고, 예를 들면, 도 23의 단면에 있어서 좌우대칭인 사다리꼴형상을 갖는다. 리펠러헤드(480)는, 축방향으로 뻗는 중심축(C)에 대하여 회전대칭인 형상을 갖고, 예를 들면, 원뿔대형상을 갖는다. 리펠러헤드(480)는, 아크챔버(50)의 내부를 향하여 축방향으로 노출되는 평면으로 구성되는 선단면(480a)과, 축방향에 대하여 비스듬한 방향으로 노출되는 측면(480c)을 갖는다. 리펠러헤드(480)의 선단면(480a) 및 측면(480c)은, 아크챔버(50)의 내부공간(S)을 향하여 열전자를 방출하는 열전자방출면이다. 리펠러헤드(480)의 선단면(480a)의 직경방향의 폭(wd)은, 리펠러헤드(480)의 직경방향의 최대폭(wc)보다 작다.

제3 서멀실드(86)의 제3 연장부(86d)는, 내면(86e)의 직경방향의 폭이 아크챔버의 내부를 향함에 따라 작아지도록 구성되는 제3 테이퍼부(86g)를 갖는다. 제3 테이퍼부(86g)는, 리펠러헤드(480)와 직경방향으로 간극을 두고 이웃하도록 배치되며, 리펠러헤드(480)의 측면(480c)을 따라 배치된다. 제3 테이퍼부(86g)는, 적어도 내면(86e)으로 구성되는 공간이 원뿔대형상이 되도록 구성된다. 제3 테이퍼부(86g)는, 예를 들면, 내면(86e)부터 리펠러헤드(480)의 측면(480c)까지의 간격(d5)이 일정해지도록 구성된다.

제3 서멀실드(86)의 제3 선단개구(86c)에 있어서의 직경방향의 제3 개구폭(w3)은, 리펠러헤드(480)의 직경방향의 최대폭(wc)보다 작고, 리펠러헤드(480)의 직경방향의 선단폭(wd)(선단면(480a)의 직경방향의 폭(wd))보다 크다. 따라서, 제3 서멀실드(86)의 적어도 일부는, 리펠러헤드(480)와 축방향으로 중첩되도록 배치된다. 보다 구체적으로는, 제3 서멀실드(86)의 제3 선단개구(86c)의 가장자리의 적어도 일부는, 리펠러헤드(480)의 열전자방출면인 측면(480c)과 축방향으로 중첩된다.

또한, 리펠러헤드(480) 및 제3 서멀실드(86)의 구조로서 도 3~도 10의 (b)에 나타나는 제1 캐소드캡(72) 및 제1 서멀실드(76)와 동일한 구조를 이용할 수 있다. 보다 구체적으로는, 제3 서멀실드(86)의 제3 연장부(86d)의 구조로서, 도 3~도 10의 (b)에 나타나는 제1 연장부(76d)(또는 제1 테이퍼부(76g))의 구조를 이용할 수 있다. 또, 리펠러헤드(480)의 형상으로서, 도 11의 (a)~(o)에 나타나는 제1 캐소드캡(72)의 형상을 이용할 수 있다.

(제6 실시형태)

도 24는, 제6 실시형태에 관한 리펠러(556)의 구성을 상세하게 나타내는 단면도이다. 리펠러(556)는, 추가의 서멀실드(88)(제4 서멀실드(88)라고도 한다)를 더 포함하는 점에서, 도 22에 나타내는 제5 실시형태와 상이하다. 제6 실시형태에서는, 상술한 특징 (6)을 채용하고, 리펠러헤드(80)의 주위에 복수의 서멀실드(86, 88)를 마련하여, 리펠러헤드(80)의 온도상승을 더 촉진한다. 제6 실시형태에 대하여, 상술한 제5 실시형태와의 상위점을 중심으로 설명하고, 공통점에 대해서는 설명을 적절히 생략한다.

리펠러(556)는, 리펠러헤드(80)와, 리펠러축(82)과, 리펠러접속부(84)와, 제3 서멀실드(86)와, 제4 서멀실드(88)를 포함한다. 리펠러헤드(80), 리펠러축(82), 리펠러접속부(84) 및 제3 서멀실드(86)는, 제5 실시형태와 동일하게 구성되지만, 리펠러접속부(84)의 직경은, 도 22에 비하여 크다.

제4 서멀실드(88)는, 제3 서멀실드(86)의 직경방향 외측에 마련되고, 리펠러접속부(84)의 외주로부터 축방향으로 통형상으로 뻗어 있다. 제4 서멀실드(88)는, 아크챔버(50)의 내부를 향하여 화살표 A3의 방향으로 돌출되는 제4 선단부(88a)를 갖는다. 제4 서멀실드(88)는, 제4 선단부(88a)에 있어서 축방향으로 개구되는 제4 선단개구(88c)를 갖는다. 제4 서멀실드(88)는, 리펠러접속부(84)로부터 제4 선단부(88a)를 향하여 축방향으로 통형상으로 뻗어 있는 제4 연장부(88d)를 갖는다. 제4 연장부(88d)는, 제3 연장부(86d)와 직경방향으로 간극을 두고 이웃한다. 제4 서멀실드(88)는, 축방향으로 뻗는 중심축(C)에 대하여 회전대칭인 형상을 갖는다. 제4 서멀실드(88)는, 예를 들면, 리펠러헤드(80), 리펠러축(82), 리펠러접속부(84) 및 제3 서멀실드(86)와 동축으로 되도록 배치되어 있다.

제4 서멀실드(88)의 제4 선단부(88a)는, 리펠러헤드(80)의 선단(선단면(80a)) 및 제3 서멀실드(86)의 제3 선단부(86a)보다 아크챔버의 내부를 향하여 돌출되어 있다. 변형예에 있어서, 제4 서멀실드(88)의 제4 선단부(88a)의 축방향의 위치는, 리펠러헤드(80)의 선단(선단면(80a))의 축방향의 위치와 동일해도 되고, 제3 서멀실드(86)의 제3 선단부(86a)의 축방향의 위치와 동일해도 된다. 다른 변형예에 있어서, 리펠러헤드(80)의 선단(선단면(80a)) 및 제3 서멀실드(86)의 제3 선단부(86a) 중 적어도 일방은, 제4 서멀실드(88)의 제4 선단부(88a)보다 아크챔버의 내부를 향하여 돌출되어도 된다.

제4 연장부(88d)는, 제4 원통부(88f)를 갖는다. 제4 원통부(88f)는, 제4 연장부(88d)의 내면(88e)의 직경방향의 폭이 일정해지는 부분이다. 제4 원통부(88f)는, 적어도 내면(88e)이 원통형상이 되도록 구성된다. 제4 원통부(88f)는, 예를 들면, 제4 연장부(88d)의 내면(88e)부터 제3 연장부(86d)의 외면(86h)까지의 간격(d6)이 일정해지도록 구성된다. 도 24에 나타내는 제4 연장부(88d)는, 제4 원통부(88f)만으로 구성되고, 테이퍼부를 갖지 않도록 구성된다. 또한, 변형예에 있어서, 제4 서멀실드(88)의 제4 연장부(88d)는, 제4 테이퍼부를 가져도 된다. 제4 테이퍼부는, 제4 연장부(88d)의 내면(88e)의 직경방향의 폭이 축방향의 위치에 따라 변화하도록 구성된다. 예를 들면, 제4 연장부(88d)의 내면(488e)의 직경방향의 폭은, 아크챔버의 내부를 향함에 따라 커지도록 구성되어도 되고, 반대로, 아크챔버의 내부를 향함에 따라 작아지도록 구성되어도 된다. 즉, 제4 연장부(88d)의 내면(88e)부터 제3 연장부(86d)의 외면(86h)까지의 간격(d6)은, 아크챔버의 내부를 향함에 따라 커지도록 구성되어도 되고, 반대로, 아크챔버의 내부를 향함에 따라 작아지도록 구성되어도 된다.

제4 서멀실드(88)는, 고온상태가 되는 제3 서멀실드(86)로부터의 열복사를 반사하고, 제3 서멀실드(86)로부터의 열방출을 억제함으로써, 제3 서멀실드(86)의 온도상승을 촉진한다. 제4 서멀실드(88)는, 제3 서멀실드(86)의 온도상승을 촉진함으로써, 결과적으로, 리펠러헤드(80)의 온도상승을 촉진한다.

제6 실시형태에 관한 리펠러(556)는, 제1 실시형태의 변형예에 관한 제1 캐소드와 조합하여 이용되어도 되고, 제2 실시형태, 제3 실시형태 혹은 제4 실시형태, 또는, 이들의 변형예에 관한 제1 캐소드와 조합하여 이용되어도 된다.

(제6 실시형태에 관한 변형예)

도 25는, 변형예에 관한 리펠러(556A)의 구성을 상세하게 나타내는 단면도이다. 리펠러(556A)는, 리펠러헤드(480)와, 리펠러축(82)과, 리펠러접속부(84)와, 제3 서멀실드(86)와, 제4 서멀실드(88)를 포함한다. 본 변형예에서는, 도 23의 변형예와 동일하게, 리펠러헤드(480)가 원뿔대형상을 갖고, 제3 서멀실드(86)의 제3 연장부(86d)가 제3 테이퍼부(86g)를 갖는다. 또, 제4 서멀실드(88)의 제4 연장부(88d)가 제4 테이퍼부(88g)를 갖는다.

본 변형예에서는, 상술한 특징 (5) 및 (6)을 조합하여 채용함으로써, 저아크조건에 있어서 보다 많은 다가이온이 생성되도록 한다. 구체적으로는, 제3 서멀실드(86) 및 제4 서멀실드(88)를 조합함으로써, 리펠러헤드(480)의 온도상승을 더 촉진할 수 있다. 또한, 제3 서멀실드(86)를 이용하여, 리펠러헤드(480)로부터 아크챔버(50)의 내부공간(S)을 향하여 열전자가 방출되는 범위를 좁게 함으로써, 보다 좁은 범위에 의하여 고밀도의 플라즈마를 생성할 수 있다.

리펠러(556A)는, 도 12에 나타나는 제1 캐소드(154)와 동일한 구조를 구비해도 된다. 제3 연장부(86d)(또는 제3 테이퍼부(86g))는, 도 3~도 16의 (b)에 나타나는 제1 연장부(76d)(또는 제1 테이퍼부(76g))와 동일하게 구성되어도 된다. 제4 연장부(88d)(제4 테이퍼부(88g))는, 도 12~도 16의 (b)에 나타나는 제2 연장부(78d)(또는 제2 테이퍼부(78g))와 동일하게 구성되어도 된다. 리펠러헤드(480)는, 도 11의 (a)~(o)에 나타나는 제1 캐소드캡(72)과 동일한 형상을 가져도 된다.

도 25에 있어서, 제4 선단개구(88c)에 있어서의 직경방향의 제4 개구폭(w4)은, 제3 선단개구(86c)의 제3 개구폭(w3), 리펠러헤드(480)의 최대폭(wc) 및 리펠러헤드(480)의 선단폭(wd)보다 크다. 또 다른 변형예에서는, 제4 선단개구(88c)에 있어서의 직경방향의 제4 개구폭(w4)은, 제3 선단개구(86c)의 제3 개구폭(w3), 리펠러헤드(480)의 최대폭(wc) 및 리펠러헤드(480)의 선단폭(wd) 중 어느 하나와 동일해도 되고, 이들 중 어느 하나보다 작아도 된다.

(제7 실시형태)

도 26은, 제7 실시형태에 관한 리펠러(656)의 구성을 상세하게 나타내는 단면도이다. 제7 실시형태에 관한 리펠러(656)는, 리펠러헤드(80)와, 리펠러축(82)과, 제3 서멀실드(286)를 포함한다. 제7 실시형태에서는, 제3 서멀실드(286)가 아크챔버(50)에 장착되어 있는 점에서, 제5 실시형태와 상이하다. 이하, 제7 실시형태에 대하여, 제5 실시형태와의 상위점을 중심으로 설명하고, 공통점에 대해서는 설명을 적절히 생략한다.

제3 서멀실드(286)는, 아크챔버의 내부를 향하여 화살표 A3의 방향으로 돌출되는 제3 선단부(286a)와, 아크챔버의 외부를 향하여 화살표 A4의 방향으로 돌출되는 제3 말단부(286b)를 갖는다. 제3 선단부(286a)는, 리펠러헤드(80)보다 아크챔버(50)의 내부를 향하여 돌출되어 있다. 즉, 제3 선단부(286a)의 축방향의 위치는, 리펠러헤드(80)의 선단(선단면(80a))의 축방향의 위치보다 아크챔버(50)의 내부측에 있다. 제3 서멀실드(286)는, 제3 선단부(286a)에 있어서 축방향으로 개구되는 제3 선단개구(286c)를 갖는다. 제3 말단부(286b)는, 아크챔버(50)에 장착되고, 예를 들면, 아크챔버(50)의 제2 단벽(50d)에 장착된다. 제3 서멀실드(286)는, 제2 단벽(50d)과 일체가 되도록 구성되어도 되고, 제2 단벽(50d)으로부터 아크챔버(50)의 내부를 향하여 축방향으로 뻗어 있도록 구성되어도 된다.

제3 서멀실드(286)는, 제3 말단부(286b)로부터 제3 선단부(286a)를 향하여 축방향으로 통형상으로 뻗어 있는 제3 연장부(286d)를 갖는다. 제3 연장부(286d)는, 리펠러헤드(80)와 직경방향으로 간극을 두고 이웃한다. 제3 연장부(286d)는, 제3 연장부(286d)의 내면(286e)의 직경방향의 폭이 일정해지도록 구성되는 제3 원통부(286f)를 갖는다. 도 26에 나타내는 제3 연장부(286d)는, 제3 원통부(286f)만으로 구성되고, 테이퍼부를 갖지 않도록 구성된다. 또한, 변형예에 있어서, 제3 서멀실드(286)의 제3 연장부(286d)는, 제3 테이퍼부를 가져도 된다.

제7 실시형태에서는, 상술한 특징 (7)을 채용함으로써, 저아크조건에 있어서 보다 많은 다가이온이 생성되도록 한다. 구체적으로는, 제3 서멀실드(286)에 열전자를 인출하기 위한 전압(여기에서는, 리펠러전압과 동등하다)을 인가함으로써, 리펠러헤드(80)로부터 아크챔버(50)의 내부를 향하여 열전자를 보다 효율적으로 인출할 수 있다. 그 결과, 리펠러헤드(80) 및 서멀실드(286)의 전위가 동일해지는 경우에 비하여, 아크챔버(50)의 내부공간(S)을 향하여 보다 많은 열전자를 공급할 수 있고, 저아크조건이더라도, 보다 고밀도의 플라즈마를 생성할 수 있다.

제7 실시형태에 관한 제3 서멀실드(286)는, 도 18의 (b)에 나타내는 제1 서멀실드(276)와 동일하게 구성된다. 변형예에 있어서, 제3 서멀실드(286)는, 도 17 또는 도 18의 (a)에 나타내는 제1 서멀실드(276)와 동일하게 구성되어도 된다. 보다 구체적으로는, 제3 서멀실드(286)의 제3 연장부(286d)의 구조로서, 도 17~도 18의 (b)에 나타나는 제1 연장부(276d)의 구조를 이용할 수 있다. 제7 실시형태에 관한 제3 서멀실드(286)는, 도 3~도 10의 (b)에 나타나는 제1 서멀실드(76)와 동일한 구조를 가져도 된다. 또, 리펠러헤드(80)의 형상으로서, 도 17~도 18의 (b)에 나타나는 제1 캐소드캡(72)과 동일한 원뿔대형상을 이용해도 되고, 도 11의 (a)~(o)에 나타나는 제1 캐소드캡(72)의 형상을 이용해도 된다.

제7 실시형태에 관한 리펠러(656)는, 제1 실시형태의 변형예에 관한 제1 캐소드와 조합하여 이용되어도 되고, 제2 실시형태, 제3 실시형태 혹은 제4 실시형태, 또는, 이들의 변형예에 관한 제1 캐소드와 조합하여 이용되어도 된다.

(제8 실시형태)

도 27은, 제8 실시형태에 관한 리펠러(756)의 구성을 상세하게 나타내는 단면도이다. 제8 실시형태에 관한 리펠러(756)는, 리펠러헤드(80)와, 리펠러축(82)과, 리펠러접속부(84)와, 제3 서멀실드(86)와, 제4 서멀실드(388)를 포함한다. 제8 실시형태에서는, 제4 서멀실드(388)가 아크챔버(50)에 장착되어 있는 점에서, 제6 실시형태와 상이하다. 이하, 제8 실시형태에 대하여, 제6 실시형태와의 상위점을 중심으로 설명하고, 공통점에 대해서는 설명을 적절히 생략한다.

제4 서멀실드(388)는, 아크챔버의 내부를 향하여 화살표 A3의 방향으로 돌출되는 제4 선단부(388a)와, 아크챔버의 외부를 향하여 화살표 A4의 방향으로 돌출되는 제4 말단부(388b)를 갖는다. 제4 선단부(388a)는, 리펠러헤드(80)의 선단(선단면(80a)) 및 제3 서멀실드(86)의 제3 선단부(86a)보다 아크챔버(50)의 내부를 향하여 돌출되어 있다. 즉, 제4 선단부(388a)의 축방향의 위치는, 리펠러헤드(80)의 선단(선단면(80a)) 및 제3 서멀실드(86)의 제3 선단부(86a)의 축방향의 위치보다 아크챔버(50)의 내부측에 있다. 제4 서멀실드(388)는, 제4 선단부(388a)에 있어서 축방향으로 개구되는 제4 선단개구(388c)를 갖는다. 제4 말단부(388b)는, 아크챔버(50)에 장착되고, 예를 들면, 아크챔버(50)의 제2 단벽(50d)에 장착된다. 제4 서멀실드(388)는, 제2 단벽(50d)과 일체가 되도록 구성되어도 되고, 제2 단벽(50d)으로부터 아크챔버(50)의 내부를 향하여 축방향으로 뻗어 있도록 구성되어도 된다.

제4 서멀실드(388)는, 제4 말단부(388b)로부터 제4 선단부(388a)를 향하여 축방향으로 통형상으로 뻗어 있는 제4 연장부(388d)를 갖는다. 제4 연장부(388d)는, 제3 연장부(86d)와 직경방향으로 간극을 두고 이웃한다. 제4 연장부(388d)는, 제4 연장부(388d)의 내면(388e)의 직경방향의 폭이 일정해지도록 구성되는 제4 원통부(388f)를 갖는다. 도 27에 나타내는 제4 연장부(388d)는, 제4 원통부(388f)만으로 구성되고, 테이퍼부를 갖지 않도록 구성된다. 또한, 변형예에 있어서, 제4 서멀실드(388)의 제4 연장부(388d)는, 제4 테이퍼부를 가져도 된다.

제8 실시형태에서는, 상술한 특징 (6), (7)을 채용함으로써, 저아크조건에 있어서 보다 많은 다가이온이 생성되도록 한다. 구체적으로는, 리펠러헤드(80)의 주위에 복수의 서멀실드(86, 388)를 마련함으로써, 리펠러헤드(80)의 온도상승을 촉진할 수 있다. 또한, 제4 서멀실드(388)에 열전자를 인출하기 위한 전압(여기에서는, 리펠러전압과 동등하다)을 인가함으로써, 리펠러헤드(80)로부터 아크챔버(50)의 내부를 향하여 열전자를 보다 효율적으로 인출할 수 있다.

제8 실시형태에 관한 리펠러(756)는, 도 19~도 20에 나타나는 제1 캐소드(354, 354A)와 동일하게 구성되어도 된다. 제3 서멀실드(86)의 제3 연장부(86d)의 구조로서 도 19~도 20에 나타나는 제1 연장부(76d)(또는 제1 테이퍼부(76g))의 구조를 이용할 수 있다. 또, 제4 서멀실드(388)의 제4 연장부(388d)의 구조로서 도 19~도 20에 나타나는 제2 연장부(378d)(또는 제2 테이퍼부(378g))의 구조를 이용할 수 있다. 또한, 제3 서멀실드(86)로서, 도 3~도 10의 (b)에 나타나는 제1 서멀실드(76)와 동일한 구조를 이용해도 되고, 제4 서멀실드(388)로서, 도 12~도 16의 (b)에 나타나는 제2 서멀실드(78)와 동일한 구조를 이용해도 된다. 리펠러헤드(80)의 형상으로서, 도 19~도 20에 나타나는 제1 캐소드캡(72)과 동일한 원뿔대형상을 이용해도 되고, 도 11의 (a)~(o)에 나타나는 제1 캐소드캡(72)의 형상을 이용해도 된다.

제8 실시형태에 관한 리펠러(756)는, 제1 실시형태의 변형예에 관한 제1 캐소드와 조합하여 이용되어도 되고, 제2 실시형태, 제3 실시형태 혹은 제4 실시형태, 또는, 이들의 변형예에 관한 제1 캐소드와 조합하여 이용되어도 된다.

(제9 실시형태)

도 28은, 제9 실시형태에 관한 이온생성장치(810)의 개략구성을 나타내는 단면도이다. 제9 실시형태에서는, 리펠러(56) 대신에 제2 캐소드(55)가 마련되는 점에서, 상술한 제1 실시형태와 상이하다. 제9 실시형태는, 제1 캐소드(54) 및 제2 캐소드(55)의 2개의 캐소드가 마련되는 듀얼캐소드형의 이온생성장치이다. 이하, 제9 실시형태에 대하여, 제1 실시형태와의 상위점을 중심으로 설명하고, 공통점에 대해서는 설명을 적절히 생략한다.

이온생성장치(810)는, 아크챔버(50)와, 자장생성기(52)와, 제1 캐소드(54)와, 제2 캐소드(55)와, 제1 필라멘트전원(58a)과, 제1 캐소드전원(58b)과, 제1 아크전원(58c)과, 인출전원(58d)과, 제2 필라멘트전원(58f)과, 제2 캐소드전원(58g)과, 제2 아크전원(58h)을 구비한다. 아크챔버(50), 자장생성기(52), 제1 캐소드(54), 제1 필라멘트전원(58a), 제1 캐소드전원(58b), 제1 아크전원(58c) 및 인출전원(58d)은, 제1 실시형태와 동일하게 구성된다.

제2 캐소드(55)는, 아크챔버(50)의 내부공간(S)에 열전자를 공급한다. 제2 캐소드(55)는, 내부공간(S)을 사이에 두고, 제1 캐소드(54)와는 축방향의 반대측에 마련된다. 제2 캐소드(55)는, 제2 단벽(50d)에 마련되는 제2 캐소드삽통구멍(50h)에 삽통되고, 아크챔버(50)와 전기적으로 절연된 상태에서 제2 캐소드지지부재(65)에 고정된다. 제2 캐소드지지부재(65)는, 아크챔버(50)의 외부에 마련된다. 제2 캐소드(55)는, 제2 가열원(90)과, 제2 캐소드캡(92)과, 제2 서멀브레이크(94)와, 제2 서멀실드(96)를 포함한다.

제2 가열원(90)은, 제2 캐소드캡(92)을 가열하기 위한 열원이다. 제2 가열원(90)은, 예를 들면, 제2 필라멘트전원(58f)에 접속되는 필라멘트이다. 제2 가열원(90)은, 제2 서멀브레이크(94)의 내부에 있어서 제2 캐소드캡(92)과 대향하도록 배치된다. 제2 가열원(90)과 제2 캐소드캡(92)의 사이에는, 제2 캐소드전원(58g)이 접속되고, 캐소드전압이 인가된다.

제2 캐소드캡(92)은, 아크챔버(50)의 내부를 향하여 축방향으로 돌출되는 중실부재이다. 제2 캐소드캡(92)은, 예를 들면, 원뿔대형상을 갖는다. 제2 캐소드캡(92)은, 제2 가열원(90)에 의하여 가열됨으로써, 내부공간(S)을 향하여 열전자를 방출한다. 제2 캐소드캡(92)과 아크챔버(50)의 사이에는, 제2 아크전원(58h)이 접속되고, 아크전압이 인가된다. 또한, 제1 아크전원(58c)과 제2 아크전원(58h)을 공통화해도 된다. 예를 들면, 제2 아크전원(58h)을 마련하지 않는 구성으로 하고, 제2 캐소드캡(92)에 제1 아크전원(58c)을 접속함으로써, 제2 캐소드캡(92)에 아크전압을 인가해도 된다.

제2 서멀브레이크(94)는, 제2 캐소드캡(92)을 지지하는 원통형상부재이며, 제2 캐소드지지부재(65)로부터 제2 캐소드캡(92)을 향하여 축방향으로 뻗어 있다. 제2 서멀실드(96)는, 제2 캐소드캡(92) 및 제2 서멀브레이크(94)의 직경방향 외측에 있어서 축방향으로 통형상으로 뻗어 있다. 제2 서멀실드(96)는, 고온상태가 되는 제2 캐소드캡(92) 및 제2 서멀브레이크(94)로부터의 열복사를 반사하고, 제2 캐소드캡(92) 및 제2 서멀브레이크(94)로부터의 열방출을 억제함으로써, 제2 캐소드캡(92) 및 제2 서멀브레이크(94)의 온도상승을 촉진한다.

제2 캐소드캡(92), 제2 서멀브레이크(94) 및 제2 서멀실드(96)는, 고융점재료로 구성되고, 예를 들면, 텅스텐, 몰리브데넘, 탄탈럼 등의 고융점금속, 그들의 합금, 또는 그래파이트가 이용된다. 일례로서, 제2 캐소드캡(92) 및 제2 서멀실드(96)는 텅스텐으로 구성되고, 제2 서멀브레이크(94)는 탄탈럼으로 구성된다.

제2 캐소드(55)는, 도 3에 나타나는 제1 실시형태에 관한 제1 캐소드(54)와 동일하게 구성된다. 제2 캐소드(55)는, 제1 캐소드(54)의 구성요소의 "제1"을 "제2"로 치환한 것과 동일한 구성을 포함한다. 예를 들면, 제2 서멀실드(96)는, 제2 캐소드캡(92)의 직경방향 외측에 있어서 축방향으로 통형상으로 뻗어 있고, 제2 캐소드캡(92)과 직경방향으로 간극을 두고 이웃하는 제2 연장부와, 아크챔버의 내부를 향하여 돌출되는 제2 선단부와, 제2 선단부에 있어서 축방향으로 개구되는 제2 선단개구를 갖는다. 제2 선단개구에 있어서의 직경방향의 제2 개구폭은, 제2 캐소드캡(92)의 열전자방출면의 직경방향의 최대폭보다 작다.

제9 실시형태에 의하면, 제1 캐소드(54)와 제2 캐소드(55)를 병용함으로써, 아크챔버(50)의 내부공간(S)에 보다 많은 열전자를 공급할 수 있다. 또, 제2 캐소드(55)에 있어서도, 제2 선단개구에 있어서의 직경방향의 제2 개구폭은, 제2 캐소드캡의 열전자방출면의 직경방향의 최대폭보다 작기 때문에, 제2 캐소드캡(92)으로부터 아크챔버(50)의 내부를 향하여 열전자가 방출되는 직경방향의 범위를 좁게 할 수 있다. 그 결과, 직경방향으로 한정된 범위에 열전자를 집중적으로 공급할 수 있고, 저아크조건이어도 플라즈마생성영역(P)에 있어서 고밀도의 플라즈마를 생성할 수 있다.

제9 실시형태에 관한 제2 캐소드(55)는, 제1 실시형태의 변형예에 관한 제1 캐소드와 조합하여 이용되어도 되고, 제2 실시형태, 제3 실시형태 혹은 제4 실시형태, 또는, 이들의 변형예에 관한 제1 캐소드와 조합하여 이용되어도 된다.

(제9 실시형태에 관한 변형예)

제2 캐소드(55)는, 도 5의 (a)~도 10의 (b)에 나타나는 변형예에 관한 제1 캐소드(54A~54L)와 동일하게 구성되어도 된다. 제2 캐소드(55)의 제2 캐소드캡(92)은, 도 11의 (a)~(o)에 나타나는 변형예에 관한 제1 캐소드캡(72)과 동일한 형상을 가져도 된다.

제2 캐소드(55)는, 제2 실시형태에 관한 제1 캐소드(154)와 동일하게 구성되어도 된다. 이 경우, 제2 캐소드(55)는, 제1 캐소드(154)의 "제1 가열원(70), 제1 캐소드캡(72), 제1 서멀브레이크(74), 제1 서멀실드(76) 및 제2 서멀실드(78)"의 각각을 "제2 가열원, 제2 캐소드캡, 제2 서멀브레이크, 제3 서멀실드 및 제4 서멀실드"로 치환한 것과 동일한 구성을 포함한다. 즉, 제2 캐소드(55)는, 제2 가열원과, 제2 캐소드캡과, 제2 서멀브레이크와, 제3 서멀실드와, 제4 서멀실드를 포함한다. 제3 서멀실드는, 제2 캐소드캡 및 제2 서멀브레이크의 직경방향 외측에 있어서 축방향으로 통형상으로 뻗어 있고, 제2 캐소드캡 및 제2 서멀브레이크와 직경방향으로 간극을 두고 이웃하는 제3 연장부와, 아크챔버의 내부를 향하여 돌출되는 제3 선단부와, 제3 선단부에 있어서 축방향으로 개구되는 제3 선단개구를 갖는다. 제4 서멀실드는, 제3 서멀실드의 직경방향 외측에 있어서 축방향으로 통형상으로 뻗어 있고, 제3 연장부와 직경방향으로 간극을 두고 이웃하는 제4 연장부와, 아크챔버의 내부를 향하여 돌출되는 제4 선단부와, 제4 선단부에 있어서 축방향으로 개구되는 제4 선단개구를 갖는다. 제3 선단개구에 있어서의 직경방향의 제3 개구폭은, 제2 캐소드캡의 열전자방출면의 직경방향의 최대폭보다 크다. 제2 캐소드(55)는, 제2 실시형태의 변형예에 관한 제1 캐소드(154A~154J)와 동일하게 구성되어도 된다.

제2 실시형태 또는 제2 실시형태의 변형예에 관한 제1 캐소드(154~154J)와 동일하게 구성되는 제2 캐소드(55)는, 제1 실시형태의 변형예에 관한 제1 캐소드와 조합하여 이용되어도 되고, 제2 실시형태, 제3 실시형태 혹은 제4 실시형태, 또는, 이들의 변형예에 관한 제1 캐소드와 조합하여 이용되어도 된다.

제2 캐소드(55)는, 제3 실시형태에 관한 제1 캐소드(254)와 동일하게 구성되어도 된다. 이 경우, 제2 캐소드(55)는, 제1 캐소드(254)의 "제1 가열원(70), 제1 캐소드캡(72), 제1 서멀브레이크(74) 및 제1 서멀실드(276)"의 각각을 "제2 가열원, 제2 캐소드캡, 제2 서멀브레이크 및 제2 서멀실드"로 치환한 것과 동일한 구성을 포함한다. 즉, 제2 캐소드(55)는, 제2 가열원과, 제2 캐소드캡과, 제2 서멀브레이크와, 제2 서멀실드를 포함한다. 제2 서멀실드는, 제2 캐소드캡 및 제2 서멀브레이크의 직경방향 외측에 있어서 축방향으로 통형상에 뻗어 있고, 제2 캐소드캡 및 제2 서멀브레이크와 직경방향으로 간극을 두고 이웃하는 제2 연장부와, 아크챔버의 내부를 향하여 돌출되는 제2 선단부와, 제2 선단부에 있어서 축방향으로 개구되는 제2 선단개구를 갖는다. 제2 서멀실드의 전위는, 제2 캐소드캡의 전위보다 높고, 제2 선단부는, 제2 캐소드캡보다 아크챔버의 내부를 향하여 축방향으로 돌출되어 있다. 제2 캐소드(55)는, 제3 실시형태의 변형예에 관한 제1 캐소드(254A, 254B)와 동일하게 구성되어도 된다.

제3 실시형태 또는 제3 실시형태의 변형예에 관한 제1 캐소드(254~254B)와 동일하게 구성되는 제2 캐소드(55)는, 제1 실시형태의 변형예에 관한 제1 캐소드와 조합하여 이용되어도 되고, 제2 실시형태, 제3 실시형태 혹은 제4 실시형태, 또는, 이들의 변형예에 관한 제1 캐소드와 조합하여 이용되어도 된다.

제2 캐소드(55)는, 제4 실시형태에 관한 제1 캐소드(354)와 동일하게 구성되어도 된다. 이 경우, 제2 캐소드(55)는, 제1 캐소드(354)의 "제1 가열원(70), 제1 캐소드캡(72), 제1 서멀브레이크(74), 제1 서멀실드(76) 및 제2 서멀실드(378)"의 각각을 "제2 가열원, 제2 캐소드캡, 제2 서멀브레이크, 제3 서멀실드 및 제4 서멀실드"로 치환한 것과 동일한 구성을 포함한다. 즉, 제2 캐소드(55)는, 제2 가열원과, 제2 캐소드캡과, 제2 서멀브레이크와, 제3 서멀실드와, 제4 서멀실드를 포함한다. 제3 서멀실드는, 제2 캐소드캡 및 제2 서멀브레이크의 직경방향 외측에 있어서 축방향으로 통형상으로 뻗어 있고, 제2 캐소드캡 및 제2 서멀브레이크와 직경방향으로 간극을 두고 이웃하는 제3 연장부와, 아크챔버의 내부를 향하여 돌출되는 제3 선단부와, 제3 선단부에 있어서 축방향으로 개구되는 제3 선단개구를 갖는다. 제4 서멀실드는, 제3 서멀실드의 직경방향 외측에 있어서 축방향으로 통형상으로 뻗어 있고, 제3 연장부와 직경방향으로 간극을 두고 이웃하는 제4 연장부와, 아크챔버의 내부를 향하여 돌출되는 제4 선단부와, 제4 선단부에 있어서 축방향으로 개구되는 제4 선단개구를 갖는다. 제4 선단개구에 있어서의 직경방향의 제4 개구폭은, 제3 선단개구에 있어서의 직경방향의 제3 개구폭 이상이다. 제2 캐소드(55)는, 제4 실시형태의 변형예에 관한 제1 캐소드(354A)와 동일하게 구성되어도 된다.

제4 실시형태 또는 제4 실시형태의 변형예에 관한 제1 캐소드(354~354A)와 동일하게 구성되는 제2 캐소드(55)는, 제1 실시형태의 변형예에 관한 제1 캐소드와 조합하여 이용되어도 되고, 제2 실시형태, 제3 실시형태 혹은 제4 실시형태, 또는, 이들의 변형예에 관한 제1 캐소드와 조합하여 이용되어도 된다.

(제10 실시형태)

도 29는, 제10 실시형태에 관한 이온생성장치(910)의 개략구성을 나타내는 단면도이다. 제10 실시형태에서는, 리펠러(956)가 제2 캐소드(55)와 동일한 구조를 갖는 점에서, 상술한 실시형태와 상이하다. 이하, 제10 실시형태에 대하여, 상술한 실시형태와의 상위점을 중심으로 설명하고, 공통점에 대해서는 설명을 적절히 생략한다.

이온생성장치(910)는, 아크챔버(50)와, 자장생성기(52)와, 제1 캐소드(54)와, 리펠러(956)와, 제1 필라멘트전원(58a)과, 제1 캐소드전원(58b)과, 제1 아크전원(58c)과, 인출전원(58d)과, 리펠러전원(58e)을 구비한다. 아크챔버(50), 자장생성기(52), 제1 캐소드(54), 제1 필라멘트전원(58a), 제1 캐소드전원(58b), 제1 아크전원(58c), 인출전원(58d) 및 리펠러전원(58e)은, 제1 실시형태와 동일하게 구성된다.

리펠러(956)는, 리펠러헤드(992)와, 제2 서멀브레이크(994)와, 제2 서멀실드(996)를 포함한다. 리펠러(956)는, 도 28의 제2 캐소드(55)로부터 제2 가열원(90)을 제외한 것과 동일하게 구성된다. 리펠러(956)는, 제2 캐소드(55)의 "제2 캐소드캡(92), 제2 서멀브레이크(94) 및 제2 서멀실드(96)"의 각각을 "리펠러헤드(992), 제2 서멀브레이크(994) 및 제2 서멀실드(996)"로 치환한 것과 동일한 구성을 포함한다. 리펠러(956)는, 제2 가열원(90)을 포함하지 않는 점에서, 제2 캐소드(55)와 상이하다. 리펠러헤드(992)는, 플라즈마생성영역(P)에서 생성되는 플라즈마와의 상호작용에 의하여 가열된다.

(제10 실시형태에 관한 변형예)

리펠러(956)는, 도 5의 (a)~도 10의 (b)에 나타나는 변형예에 관한 제1 캐소드(54A~54L)로부터 제1 가열원을 제외한 것과 동일하게 구성되어도 된다. 리펠러(956)의 리펠러헤드(992)는, 도 11의 (a)~(o)에 나타나는 변형예에 관한 제1 캐소드캡(72)과 동일한 형상을 가져도 된다.

리펠러(956)는, 제2 실시형태에 관한 제1 캐소드(154)로부터 제1 가열원을 제외한 것과 동일하게 구성되어도 된다. 이 경우, 리펠러(956)는, 제1 캐소드(154)의 "제1 캐소드캡(72), 제1 서멀브레이크(74), 제1 서멀실드(76) 및 제2 서멀실드(78)"의 각각을 "리펠러헤드, 제2 서멀브레이크, 제3 서멀실드 및 제4 서멀실드"로 치환한 것과 동일한 구성을 포함한다. 즉, 리펠러(956)는, 리펠러헤드와, 제2 서멀브레이크와, 제3 서멀실드와, 제4 서멀실드를 포함한다. 리펠러(956)는, 제2 실시형태의 변형예에 관한 제1 캐소드(154A~154J)로부터 제1 가열원을 제외한 것과 동일하게 구성되어도 된다.

리펠러(956)는, 제3 실시형태에 관한 제1 캐소드(254)로부터 제1 가열원을 제외한 것과 동일하게 구성되어도 된다. 이 경우, 리펠러(956)는, 제1 캐소드(254)의 "제1 캐소드캡(72), 제1 서멀브레이크(74) 및 제1 서멀실드(276)"의 각각을 "리펠러헤드, 제2 서멀브레이크 및 제2 서멀실드"로 치환한 것과 동일한 구성을 포함한다. 즉, 리펠러(956)는, 리펠러헤드와, 제2 서멀브레이크와, 제2 서멀실드를 포함한다. 리펠러(956)는, 제3 실시형태의 변형예에 관한 제1 캐소드(254A, 254B)로부터 제1 가열원을 제외한 것과 동일하게 구성되어도 된다.

리펠러(956)는, 제4 실시형태에 관한 제1 캐소드(354)로부터 제1 가열원을 제외한 것과 동일하게 구성되어도 된다. 이 경우, 리펠러(956)는, 제1 캐소드(354)의 "제1 캐소드캡(72), 제1 서멀브레이크(74), 제1 서멀실드(76) 및 제2 서멀실드(378)"의 각각을 "리펠러헤드, 제2 서멀브레이크, 제3 서멀실드 및 제4 서멀실드"로 치환한 것과 동일한 구성을 포함한다. 즉, 리펠러(956)는, 리펠러헤드와, 제2 서멀브레이크와, 제3 서멀실드와, 제4 서멀실드를 포함한다. 리펠러(956)는, 제4 실시형태의 변형예에 관한 제1 캐소드(354A)와 동일하게 구성되어도 된다.

이상, 본 개시를 상술한 각 실시형태를 참조하여 설명했지만, 본 개시는 상술한 각 실시형태에 한정되는 것은 아니고, 각 실시형태의 구성을 적절히 조합해도 되며, 치환해도 된다. 또, 당업자의 지식에 근거하여 각 실시형태에 있어서의 조합이나 처리의 순번을 적절히 재편성하는 것이나 각종 설계변경 등의 변형을 실시형태에 대하여 더하는 것도 가능하고, 그와 같은 재편성이나 변형이 더해진 실시형태도 본 개시에 관한 이온생성장치 및 이온주입장치의 범위에 포함될 수 있다.

상술한 실시형태 및 변형예에서는, 캐소드캡의 가열원을 필라멘트로 하는 경우에 대하여 나타냈다. 또 다른 변형예에서는, 가열원으로서 필라멘트 이외를 사용해도 된다. 예를 들면, 레이저를 가열원으로 하고, 캐소드캡의 열유입면에 레이저광을 조사함으로써, 캐소드캡을 가열해도 된다.

상술한 실시형태 및 변형예에서는, 캐소드캡 또는 리펠러헤드의 직경방향 외측에 1개 또는 2개의 서멀실드를 마련하는 경우에 대하여 나타냈다. 또 다른 변형예에서는, 캐소드캡 또는 리펠러헤드의 직경방향 외측에 3 이상의 서멀실드를 마련해도 된다. 예를 들면, 제1 캐소드가 포함하는 제2 서멀실드의 직경방향 외측에 추가의 서멀실드를 더 마련해도 되고, 리펠러 또는 제2 캐소드가 포함하는 제4 서멀실드의 직경방향 외측에 추가의 서멀실드를 더 마련해도 된다.

상술한 실시형태 및 변형예에서는, 본 개시에 관한 제1 캐소드와 조합하여 이용되는 리펠러에 대하여 설명했다. 본 개시에 관한 리펠러는, 리펠러를 구비하는 임의의 양태의 이온생성장치 및 이온주입장치에 적용 가능하고, 본 개시에 관한 테이퍼형상의 제1 캐소드캡 및 테이퍼형상의 제1 서멀실드를 포함하는 제1 캐소드와의 조합에 한정되는 것은 아니다. 본 개시에 관한 리펠러는, 제1 캐소드캡 및 제1 서멀실드 중 적어도 일방이 테이퍼형상을 갖지 않는 제1 캐소드와 조합하여 이용되어도 되고, 제1 서멀실드를 갖지 않는 제1 캐소드와 조합하여 이용되어도 된다. 본 개시에 관한 리펠러는, 임의의 양태의 간접가열형인 제1 캐소드와 조합하여 이용되어도 된다.

이하, 본 개시의 몇개의 양태에 대하여 설명한다.

[양태 1]

내부공간을 갖고, 상기 내부공간에서 생성되는 플라즈마로부터 이온빔을 인출하기 위한 프런트슬릿을 갖는 아크챔버와,

상기 내부공간에 있어서 축방향으로 인가되는 자장을 생성하는 자장생성기와,

상기 내부공간에 열전자를 공급하도록 구성되는 제1 캐소드를 구비하며,

상기 제1 캐소드는,

상기 아크챔버의 내부를 향하여 상기 축방향으로 돌출되고, 상기 내부공간에 공급되는 열전자를 방출하는 제1 캐소드캡과,

상기 제1 캐소드캡을 가열하는 제1 가열원과,

상기 제1 캐소드캡의 직경방향 외측에 있어서 상기 축방향으로 통형상으로 뻗어 있고, 상기 제1 캐소드캡과 상기 축방향과 직교하는 직경방향으로 간극을 두고 이웃하는 제1 연장부와, 상기 아크챔버의 내부를 향하여 돌출되는 제1 선단부와, 상기 제1 선단부에 있어서 상기 축방향으로 개구되는 제1 선단개구를 갖는 제1 서멀실드를 포함하며,

상기 제1 선단개구에 있어서의 상기 직경방향의 제1 개구폭은, 상기 제1 캐소드캡의 상기 직경방향의 최대폭보다 작은 것을 특징으로 하는 이온생성장치.

[양태 2]

상기 제1 선단개구의 가장자리의 적어도 일부는, 상기 제1 캐소드캡과 상기 축방향으로 중첩되는 위치에 마련되는 것을 특징으로 하는 양태 1에 기재된 이온생성장치.

[양태 3]

상기 제1 캐소드캡은, 상기 아크챔버의 내부를 향함에 따라 상기 직경방향의 폭이 작아지는 테이퍼형상을 갖는 것을 특징으로 하는 양태 1 또는 2에 기재된 이온생성장치.

[양태 4]

상기 제1 연장부는, 상기 제1 연장부의 내면의 상기 직경방향의 폭이 상기 아크챔버의 내부를 향함에 따라 작아지도록 구성되는 제1 테이퍼부를 갖는 것을 특징으로 하는 양태 1 내지 3 중 어느 하나에 기재된 이온생성장치.

[양태 5]

상기 제1 연장부와 상기 제1 캐소드캡의 간격이 일정해지도록 구성되는 것을 특징으로 하는 양태 1 내지 4 중 어느 하나에 기재된 이온생성장치.

[양태 6]

상기 제1 캐소드캡은, 상기 아크챔버의 내부를 향하여 상기 축방향으로 노출되는 선단면을 포함하고,

상기 제1 개구폭은, 상기 선단면의 상기 직경방향의 폭보다 큰 것을 특징으로 하는 양태 1 내지 5 중 어느 하나에 기재된 이온생성장치.

[양태 7]

상기 제1 캐소드캡은, 상기 아크챔버의 내부를 향하여 상기 축방향으로 노출되는 선단면을 포함하고,

상기 제1 개구폭은, 상기 선단면의 상기 직경방향의 폭 이하인 것을 특징으로 하는 양태 1 내지 5 중 어느 하나에 기재된 이온생성장치.

[양태 8]

상기 제1 선단부는, 상기 제1 캐소드캡의 상기 아크챔버의 내부를 향하여 상기 축방향으로 돌출되는 선단보다 상기 아크챔버의 내부를 향하여 상기 축방향으로 돌출되어 있는 것을 특징으로 하는 양태 1 내지 7 중 어느 하나에 기재된 이온생성장치.

[양태 9]

상기 제1 캐소드캡의 상기 아크챔버의 내부를 향하여 상기 축방향으로 돌출되는 선단은, 상기 제1 선단부와 상기 축방향의 위치가 동일하거나, 또는, 상기 제1 선단부보다 상기 아크챔버의 내부를 향하여 돌출되어 있는 것을 특징으로 하는 양태 1 내지 6 중 어느 하나에 기재된 이온생성장치.

[양태 10]

상기 제1 서멀실드의 전위는, 상기 제1 캐소드캡의 전위와 동일한 것을 특징으로 하는 양태 1 내지 9 중 어느 하나에 기재된 이온생성장치.

[양태 11]

상기 제1 선단부는, 상기 제1 연장부로부터 상기 직경방향의 내측으로 뻗어 있는 것을 특징으로 하는 양태 1 내지 10 중 어느 하나에 기재된 이온생성장치.

[양태 12]

상기 제1 선단개구는, 상기 아크챔버의 내부를 향함에 따라 상기 직경방향의 폭이 커지는 테이퍼형상을 갖는 것을 특징으로 하는 양태 1 내지 11 중 어느 하나에 기재된 이온생성장치.

[양태 13]

상기 내부공간을 사이에 두고, 상기 제1 캐소드와는 상기 축방향의 반대측에 마련되며, 상기 내부공간에 열전자를 공급하도록 구성되는 제2 캐소드를 더 구비하고,

상기 제2 캐소드는,

상기 아크챔버의 내부를 향하여 상기 축방향으로 돌출되며, 상기 내부공간에 공급되는 열전자를 방출하는 제2 캐소드캡과,

상기 제2 캐소드캡을 가열하는 제2 가열원과,

상기 제2 캐소드캡의 직경방향 외측에 있어서 상기 축방향으로 통형상으로 뻗어 있고, 상기 제2 캐소드캡과 상기 직경방향으로 간극을 두고 이웃하는 제2 연장부와, 상기 아크챔버의 내부를 향하여 돌출되는 제2 선단부와, 상기 제2 선단부에 있어서 상기 축방향으로 개구되는 제2 선단개구를 갖는 제2 서멀실드를 포함하며,

상기 제2 선단개구에 있어서의 상기 직경방향의 제2 개구폭은, 상기 제2 캐소드캡의 상기 직경방향의 최대폭보다 작은 것을 특징으로 하는 양태 1 내지 12 중 어느 하나에 기재된 이온생성장치.

[양태 14]

상기 내부공간을 사이에 두고, 상기 제1 캐소드와는 상기 축방향의 반대측에 마련되는 리펠러를 더 구비하며,

상기 리펠러는,

상기 아크챔버의 내부를 향하여 상기 축방향으로 돌출되는 리펠러헤드와,

상기 리펠러헤드의 직경방향 외측에 있어서 상기 축방향으로 통형상으로 뻗어 있는 서멀실드를 포함하는 것을 특징으로 하는 양태 1 내지 12 중 어느 하나에 기재된 이온생성장치.

[양태 15]

상기 제1 캐소드는, 상기 제1 서멀실드의 직경방향 외측에 있어서 상기 축방향으로 통형상으로 뻗어 있고, 상기 제1 연장부와 상기 직경방향으로 간극을 두고 이웃하는 제2 연장부와, 상기 아크챔버의 내부를 향하여 돌출되는 제2 선단부와, 상기 제2 선단부에 있어서 상기 축방향으로 개구되는 제2 선단개구를 갖는 제2 서멀실드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 양태 1 내지 12 중 어느 하나에 기재된 이온생성장치.

[양태 16]

상기 제2 선단부는, 상기 제1 선단부와 상기 축방향의 위치가 동일하거나, 또는, 상기 제1 선단부보다 상기 아크챔버의 내부를 향하여 돌출되어 있는 것을 특징으로 하는 양태 15에 기재된 이온생성장치.

[양태 17]

상기 축방향을 따른 단면에 있어서, 상기 제2 선단개구에 있어서의 상기 직경방향의 제2 개구폭은, 상기 제1 연장부의 외면의 상기 직경방향의 최대폭보다 작은 것을 특징으로 하는 양태 15 또는 16에 기재된 이온생성장치.

[양태 18]

상기 제2 개구폭은, 상기 제1 개구폭 이상인 것을 특징으로 하는 양태 17에 기재된 이온생성장치.

[양태 19]

상기 제2 개구폭은, 상기 제1 개구폭보다 작은 것을 특징으로 하는 양태 17에 기재된 이온생성장치.

[양태 20]

상기 제2 연장부는, 상기 제2 연장부의 내면의 상기 직경방향의 폭이 상기 아크챔버의 내부를 향함에 따라 작아지도록 구성되는 제2 테이퍼부를 갖는 것을 특징으로 하는 양태 15 내지 19 중 어느 하나에 기재된 이온생성장치.

[양태 21]

상기 제2 서멀실드의 전위는, 상기 제1 서멀실드의 전위와 동일한 것을 특징으로 하는 양태 15 내지 20 중 어느 하나에 기재된 이온생성장치.

[양태 22]

상기 제2 선단부는, 상기 제2 연장부로부터 상기 직경방향의 내측으로 뻗어 있는 것을 특징으로 하는 양태 15 내지 21 중 어느 하나에 기재된 이온생성장치.

[양태 23]

상기 제2 선단개구는, 상기 아크챔버의 내부를 향함에 따라 상기 직경방향의 폭이 커지는 테이퍼형상을 갖는 것을 특징으로 하는 양태 15 내지 22 중 어느 하나에 기재된 이온생성장치.

[양태 24]

상기 내부공간을 사이에 두고, 상기 제1 캐소드와는 상기 축방향의 반대측에 마련되며, 상기 내부공간에 열전자를 공급하도록 구성되는 제2 캐소드를 더 구비하고,

상기 제2 캐소드는,

상기 아크챔버의 내부를 향하여 상기 축방향으로 돌출되며, 상기 내부공간에 공급되는 열전자를 방출하는 제2 캐소드캡과,

상기 제2 캐소드캡을 가열하는 제2 가열원과,

상기 제2 캐소드캡의 직경방향 외측에 있어서 상기 축방향으로 통형상으로 뻗어 있고, 상기 제2 캐소드캡과 상기 축방향과 직교하는 직경방향으로 간극을 두고 이웃하는 제3 연장부와, 상기 아크챔버의 내부를 향하여 돌출되는 제3 선단부와, 상기 제3 선단부에 있어서 상기 축방향으로 개구되는 제3 선단개구를 갖는 제3 서멀실드와,

상기 제3 서멀실드의 직경방향 외측에 있어서 상기 축방향으로 통형상으로 뻗으며, 상기 제3 연장부와 상기 직경방향으로 간극을 두고 이웃하는 제4 연장부와, 상기 아크챔버의 내부를 향하여 돌출되는 제4 선단부와, 상기 제4 선단부에 있어서 상기 축방향으로 개구되는 제4 선단개구를 갖는 제4 서멀실드를 포함하고,

상기 제3 선단개구에 있어서의 상기 직경방향의 제3 개구폭은, 상기 제2 캐소드캡의 상기 직경방향의 최대폭보다 작은 것을 특징으로 하는 양태 15 내지 23 중 어느 하나에 기재된 이온생성장치.

[양태 25]

상기 내부공간을 사이에 두고, 상기 제1 캐소드와는 상기 축방향의 반대측에 마련되는 리펠러를 더 구비하며,

상기 리펠러는,

상기 아크챔버의 내부를 향하여 상기 축방향으로 돌출되는 리펠러헤드와,

상기 리펠러헤드의 직경방향 외측에 있어서 상기 축방향으로 통형상으로 뻗어 있는 서멀실드를 포함하는 것을 특징으로 하는 양태 15 내지 23 중 어느 하나에 기재된 이온생성장치.

[양태 26]

내부공간을 갖고, 상기 내부공간에서 생성되는 플라즈마로부터 이온빔을 인출하기 위한 프런트슬릿을 갖는 아크챔버와,

상기 내부공간에 있어서 축방향으로 인가되는 자장을 생성하는 자장생성기와,

상기 내부공간에 열전자를 공급하도록 구성되는 제1 캐소드를 구비하며,

상기 제1 캐소드는,

상기 아크챔버의 내부를 향하여 상기 축방향으로 돌출되고, 상기 내부공간에 공급되는 열전자를 방출하는 제1 캐소드캡과,

상기 제1 캐소드캡을 가열하는 제1 가열원과,

상기 제1 캐소드캡의 직경방향 외측에 있어서 상기 축방향으로 통형상으로 뻗어 있고, 상기 제1 캐소드캡과 상기 축방향과 직교하는 직경방향으로 간극을 두고 이웃하는 제1 연장부와, 상기 아크챔버의 내부를 향하여 돌출되는 제1 선단부와, 상기 제1 선단부에 있어서 상기 축방향으로 개구되는 제1 선단개구를 갖는 제1 서멀실드를 포함하며,

상기 제1 서멀실드의 전위는, 상기 제1 캐소드캡의 전위보다 높고,

상기 제1 선단부는, 상기 제1 캐소드캡보다 상기 아크챔버의 내부를 향하여 상기 축방향으로 돌출되어 있는 것을 특징으로 하는 이온생성장치.

[양태 27]

상기 제1 선단개구에 있어서의 상기 직경방향의 제1 개구폭은, 상기 제1 캐소드캡의 상기 직경방향의 최대폭보다 작은 것을 특징으로 하는 양태 26에 기재된 이온생성장치.

[양태 28]

상기 제1 선단개구의 가장자리의 적어도 일부는, 상기 제1 캐소드캡과 상기 축방향으로 중첩되는 위치에 마련되는 것을 특징으로 하는 양태 26 또는 27에 기재된 이온생성장치.

[양태 29]

상기 제1 캐소드캡은, 상기 아크챔버의 내부를 향함에 따라 상기 직경방향의 폭이 작아지는 테이퍼형상을 갖는 것을 특징으로 하는 양태 26 내지 28 중 어느 하나에 기재된 이온생성장치.

[양태 30]

상기 제1 연장부는, 상기 제1 연장부의 내면의 상기 직경방향의 폭이 상기 아크챔버의 내부를 향함에 따라 작아지도록 구성되는 제1 테이퍼부를 갖는 것을 특징으로 하는 양태 26 내지 29 중 어느 하나에 기재된 이온생성장치.

[양태 31]

상기 제1 연장부와 상기 제1 캐소드캡의 간격이 일정해지도록 구성되는 것을 특징으로 하는 양태 26 내지 30 중 어느 하나에 기재된 이온생성장치.

[양태 32]

상기 제1 캐소드캡은, 상기 아크챔버의 내부를 향하여 상기 축방향으로 노출되는 선단면을 포함하고,

상기 제1 선단개구에 있어서의 상기 직경방향의 제1 개구폭은, 상기 선단면의 상기 직경방향의 폭보다 큰 것을 특징으로 하는 양태 26 내지 31 중 어느 하나에 기재된 이온생성장치.

[양태 33]

상기 제1 캐소드캡은, 상기 아크챔버의 내부를 향하여 상기 축방향으로 노출되는 선단면을 포함하고,

상기 제1 선단개구에 있어서의 상기 직경방향의 제1 개구폭은, 상기 선단면의 상기 직경방향의 폭 이하인 것을 특징으로 하는 양태 26 내지 31 중 어느 하나에 기재된 이온생성장치.

[양태 34]

상기 제1 선단부는, 상기 제1 연장부로부터 상기 직경방향의 내측으로 뻗어 있는 것을 특징으로 하는 양태 26 내지 33 중 어느 하나에 기재된 이온생성장치.

[양태 35]

상기 제1 선단개구는, 상기 아크챔버의 내부를 향함에 따라 상기 직경방향의 폭이 커지는 테이퍼형상을 갖는 것을 특징으로 하는 양태 26 내지 34 중 어느 하나에 기재된 이온생성장치.

[양태 36]

상기 내부공간을 사이에 두고, 상기 제1 캐소드와는 상기 축방향의 반대측에 마련되며, 상기 내부공간에 열전자를 공급하도록 구성되는 제2 캐소드를 더 구비하고,

상기 제2 캐소드는,

상기 아크챔버의 내부를 향하여 상기 축방향으로 돌출되며, 상기 내부공간에 공급되는 열전자를 방출하는 제2 캐소드캡과,

상기 제2 캐소드캡을 가열하는 제2 가열원과,

상기 제2 캐소드캡의 직경방향 외측에 있어서 상기 축방향으로 통형상으로 뻗어 있고, 상기 제2 캐소드캡과 상기 직경방향으로 간극을 두고 이웃하는 제2 연장부와, 상기 아크챔버의 내부를 향하여 돌출되는 제2 선단부와, 상기 제2 선단부에 있어서 상기 축방향으로 개구되는 제2 선단개구를 갖는 제2 서멀실드를 포함하며,

상기 제2 서멀실드의 전위는, 상기 제2 캐소드캡의 전위보다 높고,

상기 제2 선단부는, 상기 제2 캐소드캡보다 상기 아크챔버의 내부를 향하여 상기 축방향으로 돌출되어 있는 것을 특징으로 하는 양태 26 내지 35 중 어느 하나에 기재된 이온생성장치.

[양태 37]

상기 내부공간을 사이에 두고, 상기 제1 캐소드와는 상기 축방향의 반대측에 마련되는 리펠러를 더 구비하며,

상기 리펠러는,

상기 아크챔버의 내부를 향하여 상기 축방향으로 돌출되는 리펠러헤드와,

상기 리펠러헤드의 직경방향 외측에 있어서 상기 축방향으로 통형상으로 뻗어 있는 서멀실드를 포함하는 것을 특징으로 하는 양태 26 내지 35 중 어느 하나에 기재된 이온생성장치.

[양태 38]

내부공간을 갖고, 상기 내부공간에서 생성되는 플라즈마로부터 이온빔을 인출하기 위한 프런트슬릿을 갖는 아크챔버와,

상기 내부공간에 있어서 축방향으로 인가되는 자장을 생성하는 자장생성기와,

상기 내부공간에 열전자를 공급하도록 구성되는 제1 캐소드를 구비하며,

상기 제1 캐소드는,

상기 아크챔버의 내부를 향하여 상기 축방향으로 돌출되고, 상기 내부공간에 공급되는 열전자를 방출하는 제1 캐소드캡과,

상기 제1 캐소드캡을 가열하는 제1 가열원과,

상기 제1 캐소드캡의 직경방향 외측에 있어서 상기 축방향으로 통형상으로 뻗으며, 상기 제1 캐소드캡과 상기 축방향과 직교하는 직경방향으로 간극을 두고 이웃하는 제1 연장부와, 상기 아크챔버의 내부를 향하여 돌출되는 제1 선단부와, 상기 제1 선단부에 있어서 상기 축방향으로 개구되는 제1 선단개구를 갖는 제1 서멀실드와,

상기 제1 서멀실드의 직경방향 외측에 있어서 상기 축방향으로 통형상으로 뻗어 있고, 상기 제1 연장부와 상기 직경방향으로 간극을 두고 이웃하는 제2 연장부와, 상기 아크챔버의 내부를 향하여 돌출되는 제2 선단부와, 상기 제2 선단부에 있어서 상기 축방향으로 개구되는 제2 선단개구를 갖는 제2 서멀실드를 포함하며,

상기 제2 선단개구에 있어서의 상기 직경방향의 제2 개구폭은, 상기 제1 선단개구에 있어서의 상기 직경방향의 제1 개구폭 이상인 것을 특징으로 하는 이온생성장치.

[양태 39]

상기 제2 선단부는, 상기 제1 캐소드캡 및 상기 제1 선단부보다 상기 아크챔버의 내부를 향하여 상기 축방향으로 돌출되어 있는 것을 특징으로 하는 양태 38에 기재된 이온생성장치.

[양태 40]

상기 제2 서멀실드의 전위는, 상기 제1 캐소드캡 또는 상기 제1 서멀실드의 전위보다 높은 것을 특징으로 하는 양태 38 또는 39에 기재된 이온생성장치.

[양태 41]

상기 제2 서멀실드의 전위는, 상기 제1 캐소드캡 및 상기 제1 서멀실드의 전위보다 높은 것을 특징으로 하는 양태 38 또는 39에 기재된 이온생성장치.

[양태 42]

상기 제1 개구폭은, 상기 제1 캐소드캡의 상기 직경방향의 최대폭보다 작은 것을 특징으로 하는 양태 40 또는 41에 기재된 이온생성장치.

[양태 43]

상기 제1 선단개구의 가장자리의 적어도 일부는, 상기 제1 캐소드캡과 상기 축방향으로 중첩되는 위치에 마련되는 것을 특징으로 하는 양태 40 내지 42 중 어느 하나에 기재된 이온생성장치.

[양태 44]

상기 제1 캐소드캡은, 상기 아크챔버의 내부를 향함에 따라 상기 직경방향의 폭이 작아지는 테이퍼형상을 갖는 것을 특징으로 하는 양태 40 내지 43 중 어느 하나에 기재된 이온생성장치.

[양태 45]

상기 제1 연장부는, 상기 제1 연장부의 내면의 상기 직경방향의 폭이 상기 아크챔버의 내부를 향함에 따라 작아지도록 구성되는 제1 테이퍼부를 갖는 것을 특징으로 하는 양태 40 내지 44 중 어느 하나에 기재된 이온생성장치.

[양태 46]

상기 제1 연장부와 상기 캐소드캡의 간격이 일정해지도록 구성되는 것을 특징으로 하는 양태 40 내지 45 중 어느 하나에 기재된 이온생성장치.

[양태 47]

상기 제1 캐소드캡은, 상기 아크챔버의 내부를 향하여 상기 축방향으로 노출되는 선단면을 포함하고,

상기 제1 개구폭은, 상기 선단면의 상기 직경방향의 폭보다 큰 것을 특징으로 하는 양태 40 내지 46 중 어느 하나에 기재된 이온생성장치.

[양태 48]

상기 제1 캐소드캡은, 상기 아크챔버의 내부를 향하여 상기 축방향으로 노출되는 선단면을 포함하고,

상기 제1 개구폭은, 상기 선단면의 상기 직경방향의 폭 이하인 것을 특징으로 하는 양태 40 내지 46 중 어느 하나에 기재된 이온생성장치.

[양태 49]

상기 제1 선단부는, 상기 제1 캐소드캡보다 상기 아크챔버의 내부를 향하여 상기 축방향으로 돌출되어 있는 것을 특징으로 하는 양태 40 내지 48 중 어느 하나에 기재된 이온생성장치.

[양태 50]

상기 제1 캐소드캡의 상기 아크챔버의 내부를 향하여 상기 축방향으로 돌출되는 선단은, 상기 제1 선단부와 상기 축방향의 위치가 동일하거나, 또는, 상기 제1 선단부보다 상기 아크챔버의 내부를 향하여 돌출되어 있는 것을 특징으로 하는 양태 40 내지 47 중 어느 하나에 기재된 이온생성장치.

[양태 51]

상기 제1 서멀실드의 전위는, 상기 제1 캐소드캡의 전위와 동일한 것을 특징으로 하는 양태 40 내지 50 중 어느 하나에 기재된 이온생성장치.

[양태 52]

상기 제1 선단부는, 상기 제1 연장부로부터 상기 직경방향의 내측으로 뻗어 있는 것을 특징으로 하는 양태 40 내지 51 중 어느 하나에 기재된 이온생성장치.

[양태 53]

상기 제1 선단개구는, 상기 아크챔버의 내부를 향함에 따라 상기 직경방향의 폭이 커지는 테이퍼형상을 갖는 것을 특징으로 하는 양태 40 내지 52 중 어느 하나에 기재된 이온생성장치.

[양태 54]

상기 축방향을 따른 단면에 있어서, 상기 제2 선단개구에 있어서의 상기 직경방향의 제2 개구폭은, 상기 제1 연장부의 외면의 상기 직경방향의 최대폭보다 작은 것을 특징으로 하는 양태 40 또는 53 중 어느 하나에 기재된 이온생성장치.

[양태 55]

상기 제2 연장부는, 상기 제2 연장부의 내면의 상기 직경방향의 폭이 상기 아크챔버의 내부를 향함에 따라 작아지도록 구성되는 제2 테이퍼부를 갖는 것을 특징으로 하는 양태 40 내지 54 중 어느 하나에 기재된 이온생성장치.

[양태 56]

상기 제2 선단부는, 상기 제2 연장부로부터 상기 직경방향의 내측으로 뻗어 있는 것을 특징으로 하는 양태 40 내지 55 중 어느 하나에 기재된 이온생성장치.

[양태 57]

상기 제2 선단개구는, 상기 아크챔버의 내부를 향함에 따라 상기 직경방향의 폭이 커지는 테이퍼형상을 갖는 것을 특징으로 하는 양태 40 내지 56 중 어느 하나에 기재된 이온생성장치.

[양태 58]

상기 내부공간을 사이에 두고, 상기 제1 캐소드와는 상기 축방향의 반대측에 마련되며, 상기 내부공간에 열전자를 공급하도록 구성되는 제2 캐소드를 더 구비하고,

상기 제2 캐소드는,

상기 아크챔버의 내부를 향하여 상기 축방향으로 돌출되며, 상기 내부공간에 공급되는 열전자를 방출하는 제2 캐소드캡과,

상기 제2 캐소드캡을 가열하는 제2 가열원과,

상기 제2 캐소드캡의 직경방향 외측에 있어서 상기 축방향으로 통형상으로 뻗어 있고, 상기 제2 캐소드캡과 상기 축방향과 직교하는 직경방향으로 간극을 두고 이웃하는 제3 연장부와, 상기 아크챔버의 내부를 향하여 돌출되는 제3 선단부와, 상기 제3 선단부에 있어서 상기 축방향으로 개구되는 제3 선단개구를 갖는 제3 서멀실드와,

상기 제3 서멀실드의 직경방향 외측에 있어서 상기 축방향으로 통형상으로 뻗으며, 상기 제3 연장부와 상기 직경방향으로 간극을 두고 이웃하는 제4 연장부와, 상기 아크챔버의 내부를 향하여 돌출되는 제4 선단부와, 상기 제4 선단부에 있어서 상기 축방향으로 개구되는 제4 선단개구를 갖는 제4 서멀실드를 포함하고,

상기 제4 선단개구에 있어서의 상기 직경방향의 제4 개구폭은, 상기 제3 선단개구에 있어서의 상기 직경방향의 제3 개구폭 이상인 것을 특징으로 하는 양태 38 내지 57 중 어느 하나에 기재된 이온생성장치.

[양태 59]

상기 내부공간을 사이에 두고, 상기 제1 캐소드와는 상기 축방향의 반대측에 마련되는 리펠러를 더 구비하며,

상기 리펠러는,

상기 아크챔버의 내부를 향하여 상기 축방향으로 돌출되는 리펠러헤드와,

상기 리펠러헤드의 직경방향 외측에 있어서 상기 축방향으로 통형상으로 뻗어 있는 서멀실드를 포함하는 것을 특징으로 하는 양태 38 내지 57 중 어느 하나에 기재된 이온생성장치.

[양태 60]

양태 1 내지 59 중 어느 하나에 기재된 이온생성장치와,

상기 이온생성장치로부터 인출되는 이온빔을 가속시키는 빔가속장치와,

상기 빔가속장치로부터 출력되는 이온빔이 웨이퍼에 조사되는 주입처리실을 구비하는 것을 특징으로 하는 이온주입장치.

산업상 이용 가능성

본 개시의 한정적이지 않은 예시적인 실시형태에 의하면, 보다 낮은 아크조건에 있어서, 보다 많은 다가이온을 생성 가능한 이온생성장치를 제공할 수 있다.

10…이온생성장치
12…빔생성유닛
14…빔가속유닛
16…빔편향유닛
18…빔수송유닛
20…기판반송처리유닛
42…주입처리실
50…아크챔버
52…자장생성기
54…제1 캐소드
56…리펠러
60…프런트슬릿
70…제1 가열원
72…제1 캐소드캡
76…제1 서멀실드
76a…제1 선단부
76c…제1 선단개구
76d…제1 연장부
76e…내면
76g…제1 테이퍼부
76h…외면
78…제2 서멀실드
78a…제2 선단부
78c…제2 선단개구
78d…제2 연장부
78e…내면
78g…제2 테이퍼부
78h…외면
100…이온주입장치
B…자장
P…플라즈마생성영역
S…내부공간
W…웨이퍼

Claims (26)

1. 내부공간을 갖고, 상기 내부공간에서 생성되는 플라즈마로부터 이온빔을 인출하기 위한 프런트슬릿을 갖는 아크챔버와,
   상기 내부공간에 있어서 축방향으로 인가되는 자장을 생성하는 자장생성기와,
   상기 내부공간에 열전자를 공급하도록 구성되는 제1 캐소드를 구비하며,
   상기 제1 캐소드는,
   상기 아크챔버의 내부를 향하여 상기 축방향으로 돌출되고, 상기 내부공간에 공급되는 열전자를 방출하는 제1 캐소드캡과,
   상기 제1 캐소드캡을 가열하는 제1 가열원과,
   상기 제1 캐소드캡의 직경방향 외측에 있어서 상기 축방향으로 통형상으로 뻗어 있고, 상기 제1 캐소드캡과 상기 축방향과 직교하는 직경방향으로 간극을 두고 이웃하는 제1 연장부와, 상기 아크챔버의 내부를 향하여 돌출되는 제1 선단부와, 상기 제1 선단부에 있어서 상기 축방향으로 개구되는 제1 선단개구를 갖는 제1 서멀실드를 포함하며,
   상기 제1 선단개구에 있어서의 상기 직경방향의 제1 개구폭은, 상기 제1 캐소드캡의 상기 직경방향의 최대폭보다 작은 것을 특징으로 하는 이온생성장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 제1 선단개구의 가장자리의 적어도 일부는, 상기 제1 캐소드캡과 상기 축방향으로 중첩되는 위치에 마련되는 것을 특징으로 하는 이온생성장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 제1 캐소드캡은, 상기 아크챔버의 내부를 향함에 따라 상기 직경방향의 폭이 작아지는 테이퍼형상을 갖는 것을 특징으로 하는 이온생성장치.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 제1 연장부는, 상기 제1 연장부의 내면의 상기 직경방향의 폭이 상기 아크챔버의 내부를 향함에 따라 작아지도록 구성되는 제1 테이퍼부를 갖는 것을 특징으로 하는 이온생성장치.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 제1 연장부와 상기 제1 캐소드캡의 간격이 일정해지도록 구성되는 것을 특징으로 하는 이온생성장치.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 제1 캐소드캡은, 상기 아크챔버의 내부를 향하여 상기 축방향으로 노출되는 선단면을 포함하고,
   상기 제1 개구폭은, 상기 선단면의 상기 직경방향의 폭보다 큰 것을 특징으로 하는 이온생성장치.
7. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 제1 캐소드캡은, 상기 아크챔버의 내부를 향하여 상기 축방향으로 노출되는 선단면을 포함하고,
   상기 제1 개구폭은, 상기 선단면의 상기 직경방향의 폭 이하인 것을 특징으로 하는 이온생성장치.
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 제1 선단부는, 상기 제1 캐소드캡의 상기 아크챔버의 내부를 향하여 상기 축방향으로 돌출되는 선단보다 상기 아크챔버의 내부를 향하여 상기 축방향으로 돌출되어 있는 것을 특징으로 하는 이온생성장치.
9. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 제1 캐소드캡의 상기 아크챔버의 내부를 향하여 상기 축방향으로 돌출되는 선단은, 상기 제1 선단부와 상기 축방향의 위치가 동일하거나, 또는, 상기 제1 선단부보다 상기 아크챔버의 내부를 향하여 돌출되어 있는 것을 특징으로 하는 이온생성장치.
10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 서멀실드의 전위는, 상기 제1 캐소드캡의 전위와 동일한 것을 특징으로 하는 이온생성장치.
11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 선단부는, 상기 제1 연장부로부터 상기 직경방향의 내측으로 뻗어 있는 것을 특징으로 하는 이온생성장치.
12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 선단개구는, 상기 아크챔버의 내부를 향함에 따라 상기 직경방향의 폭이 커지는 테이퍼형상을 갖는 것을 특징으로 하는 이온생성장치.
13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 내부공간을 사이에 두고, 상기 제1 캐소드와는 상기 축방향의 반대측에 마련되며, 상기 내부공간에 열전자를 공급하도록 구성되는 제2 캐소드를 더 구비하고,
    상기 제2 캐소드는,
    상기 아크챔버의 내부를 향하여 상기 축방향으로 돌출되며, 상기 내부공간에 공급되는 열전자를 방출하는 제2 캐소드캡과,
    상기 제2 캐소드캡을 가열하는 제2 가열원과,
    상기 제2 캐소드캡의 직경방향 외측에 있어서 상기 축방향으로 통형상으로 뻗어 있고, 상기 제2 캐소드캡과 상기 직경방향으로 간극을 두고 이웃하는 제2 연장부와, 상기 아크챔버의 내부를 향하여 돌출되는 제2 선단부와, 상기 제2 선단부에 있어서 상기 축방향으로 개구되는 제2 선단개구를 갖는 제2 서멀실드를 포함하며,
    상기 제2 선단개구에 있어서의 상기 직경방향의 제2 개구폭은, 상기 제2 캐소드캡의 상기 직경방향의 최대폭보다 작은 것을 특징으로 하는 이온생성장치.
14. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 내부공간을 사이에 두고, 상기 제1 캐소드와는 상기 축방향의 반대측에 마련되는 리펠러를 더 구비하며,
    상기 리펠러는,
    상기 아크챔버의 내부를 향하여 상기 축방향으로 돌출되는 리펠러헤드와,
    상기 리펠러헤드의 직경방향 외측에 있어서 상기 축방향으로 통형상으로 뻗어 있는 서멀실드를 포함하는 것을 특징으로 하는 이온생성장치.
15. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 캐소드는, 상기 제1 서멀실드의 직경방향 외측에 있어서 상기 축방향으로 통형상으로 뻗어 있고, 상기 제1 연장부와 상기 직경방향으로 간극을 두고 이웃하는 제2 연장부와, 상기 아크챔버의 내부를 향하여 돌출되는 제2 선단부와, 상기 제2 선단부에 있어서 상기 축방향으로 개구되는 제2 선단개구를 갖는 제2 서멀실드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이온생성장치.
16. 제15항에 있어서,
    상기 제2 선단부는, 상기 제1 선단부와 상기 축방향의 위치가 동일하거나, 또는, 상기 제1 선단부보다 상기 아크챔버의 내부를 향하여 돌출되어 있는 것을 특징으로 하는 이온생성장치.
17. 제15항 또는 제16항에 있어서,
    상기 축방향을 따른 단면에 있어서, 상기 제2 선단개구에 있어서의 상기 직경방향의 제2 개구폭은, 상기 제1 연장부의 외면의 상기 직경방향의 최대폭보다 작은 것을 특징으로 하는 이온생성장치.
18. 제17항에 있어서,
    상기 제2 개구폭은, 상기 제1 개구폭 이상인 것을 특징으로 하는 이온생성장치.
19. 제17항에 있어서,
    상기 제2 개구폭은, 상기 제1 개구폭보다 작은 것을 특징으로 하는 이온생성장치.
20. 제15항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 연장부는, 상기 제2 연장부의 내면의 상기 직경방향의 폭이 상기 아크챔버의 내부를 향함에 따라 작아지도록 구성되는 제2 테이퍼부를 갖는 것을 특징으로 하는 이온생성장치.
21. 제15항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 서멀실드의 전위는, 상기 제1 서멀실드의 전위와 동일한 것을 특징으로 하는 이온생성장치.
22. 제15항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 선단부는, 상기 제2 연장부로부터 상기 직경방향의 내측으로 뻗어 있는 것을 특징으로 하는 이온생성장치.
23. 제15항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 선단개구는, 상기 아크챔버의 내부를 향함에 따라 상기 직경방향의 폭이 커지는 테이퍼형상을 갖는 것을 특징으로 하는 이온생성장치.
24. 제15항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 내부공간을 사이에 두고, 상기 제1 캐소드와는 상기 축방향의 반대측에 마련되며, 상기 내부공간에 열전자를 공급하도록 구성되는 제2 캐소드를 더 구비하고,
    상기 제2 캐소드는,
    상기 아크챔버의 내부를 향하여 상기 축방향으로 돌출되며, 상기 내부공간에 공급되는 열전자를 방출하는 제2 캐소드캡과,
    상기 제2 캐소드캡을 가열하는 제2 가열원과,
    상기 제2 캐소드캡의 직경방향 외측에 있어서 상기 축방향으로 통형상으로 뻗어 있고, 상기 제2 캐소드캡과 상기 축방향과 직교하는 직경방향으로 간극을 두고 이웃하는 제3 연장부와, 상기 아크챔버의 내부를 향하여 돌출되는 제3 선단부와, 상기 제3 선단부에 있어서 상기 축방향으로 개구되는 제3 선단개구를 갖는 제3 서멀실드와,
    상기 제3 서멀실드의 직경방향 외측에 있어서 상기 축방향으로 통형상으로 뻗으며, 상기 제3 연장부와 상기 직경방향으로 간극을 두고 이웃하는 제4 연장부와, 상기 아크챔버의 내부를 향하여 돌출되는 제4 선단부와, 상기 제4 선단부에 있어서 상기 축방향으로 개구되는 제4 선단개구를 갖는 제4 서멀실드를 포함하고,
    상기 제3 선단개구에 있어서의 상기 직경방향의 제3 개구폭은, 상기 제2 캐소드캡의 상기 직경방향의 최대폭보다 작은 것을 특징으로 하는 이온생성장치.
25. 제15항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 내부공간을 사이에 두고, 상기 제1 캐소드와는 상기 축방향의 반대측에 마련되는 리펠러를 더 구비하며,
    상기 리펠러는,
    상기 아크챔버의 내부를 향하여 상기 축방향으로 돌출되는 리펠러헤드와,
    상기 리펠러헤드의 직경방향 외측에 있어서 상기 축방향으로 통형상으로 뻗어 있는 서멀실드를 포함하는 것을 특징으로 하는 이온생성장치.
26. 제1항 내지 제25항 중 어느 한 항에 기재된 이온생성장치와,
    상기 이온생성장치로부터 인출되는 이온빔을 가속시키는 빔가속장치와,
    상기 빔가속장치로부터 출력되는 이온빔이 웨이퍼에 조사되는 주입처리실을 구비하는 것을 특징으로 하는 이온주입장치.

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