KR101065450B1

KR101065450B1 - 이온원 장치 및 그 장치를 위한 전자 에너지 최적화 방법

Info

Publication number: KR101065450B1
Application number: KR1020040045776A
Authority: KR
Inventors: 무라타히로히코; 사토마사테루
Original assignee: 가부시키가이샤 에스이엔
Priority date: 2003-06-13
Filing date: 2004-06-14
Publication date: 2011-09-19
Anticipated expiration: 2024-06-14
Also published as: TWI343589B; US7012263B2; KR20040107447A; JP4411581B2; JP2005005197A; US20040251424A1; TW200511358A

Abstract

본 발명의 이온원 장치는, 안테나 요소를 사이에 개재시키고 있으며 플라즈마 챔버 내에서 자석 요소와 안테나 요소에 대해서 수평 방향과 수직 방향의 양 방향으로 이동이 가능한 적어도 한 쌍의 안테나 대향 자석들과; 플라즈마 챔버 내에서 안테나 요소에 대해 상기 안테나 대향 자석들의 위치를 조정하는 제어 수단을 포함한다. 고농도의 전자 생성 영역은 안테나 요소의 출력에 의거한 전기장과 이 안테나 요소를 가로지르는 안테나 대향 자석에 의한 자장을 통해서 안테나 요소 둘레에 형성된다.

이온, 이식, 전극, 스퍼터링, 반도체, 집중, 고밀도, 이온 생성률

Description

이온원 장치 및 그 장치를 위한 전자 에너지 최적화 방법{ION SOURCE APPARATUS AND ELECTRONIC ENERGY OPTIMIZED METHOD THEREFOR}

도 1은 본 발명에 따른 이온원 장치를 나타내는 개략적인 블럭 단면도.

도 2는 본 발명에 따른 이온원 장치의 플라즈마 챔버 내에 배열된 안테나 요소에 배치된 안테나 대향 자석들을 도시하는 개략적인 단면도.

도 3은 본 발명에 따른 플라즈마 챔버 내의 자장의 상태를 설명하는 도면.

도 4는 본 발명에 따른 이온원 장치의 플라즈마 챔버 내의 안테나 요소의 배열을 도시하는 부분 단면 블럭도.

도 5는 본 발명에 따른 안테나 대향 자석들을 수평 방향과 수직 방향으로 배치하는 조정 장치의 구조를 도시하는 블럭 단면도.

도 6은 본 발명의 안테나 대향 자석들에 따라서 하나의 코어부로 구성된 자석의 구조를 도시하는 단면도.

도 7a는 버누스(burnous)형 이온원을 도시하는 도면, 도 7b는 전자들이 한 쌍의 자석에 의해서 포획된 상태를 설명하는 도면, 도 7c는 자속의 진행 방향에서의 전자 및 이온들의 사이클로트론 운동을 도시하는 도면, 그리고 도 7d는 안테나 요소에 영향을 미치는 전기장과 자장을 도시하는 도면.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

1: 이온원 장치

2: 플라즈마 챔버

3: 인출 전극 시스템

6: 영구 자석

10: 안테나 요소

11: 플라즈마 전극

12: 인출 전극

13: 억제 전극

14: 접지 전극

17: 고주파 출력부

18: 응축기 튜브

20, 20a, 20b: 안테나 대향 자석

24: 차폐 케이스

30: 조정 수단

본 발명은 이온 이식기(ion implanter)에 사용되는 이온원 장치, 특히 바라지 않는 수소 이온을 낮춤으로써 주어진 이온의 발생률을 향상시키는 전자 에너지 최적화 방법 및 그 방법을 사용하는 이온원 장치에 관한 것이다.

산업 현장에서, 이온 이식 기술은 집적 회로, 평판 디스플레이 등의 대량 생산 시에 실리콘 웨이퍼, 유리 기판 등과 같은 피가공물에 불순물을 이식하는 데 일반적으로 사용되어 왔다. 종래의 이온 이식기에는 소망하는 도판트 원소를 이온화하여 그 원소들을 가속화함으로써 정상 에너지를 갖는 이온 비임을 형성할 수 있는 이온원(ion source)이 구비되어 있다.

이온원은 흑연, 스테인레스, 알루미늄 등으로 제조된 하나의 사각형 플라즈마 챔버와, 플라즈마 챔버 내에 가두어진 이온들을 인출하는 인출 전극 시스템을 포함한다. 사각형의 플라즈마 챔버는 상부벽, 4개의 측벽, 및 바닥벽으로 구성된다. 플라즈마를 구속하기 위한 커스프 자기장(cusped magnetic field)을 형성하는 다수의 영구 자석이 상부벽과 4개의 측벽에 구비되어 있다. 또한, 이온원 가스용의 가스 공급구와, 안테나 도입구가 상부벽에 구비되고, 이온 비임을 인출하기 위한 개방된 배출구를 구비한 플라즈마 전극이 바닥벽에 구비되어 있다. 인출 전극 시스템은 플라즈마 전기장을 통하여 이온비임을 인출하는 작동을 하며 일반적으로는 플라즈마 전극, 인출 전극, 억제 전극, 및 접지 전극과 같은 다수의 전극으로 구성된다.

이와 같은 종류의 이온원은 이온원 가스가 플라즈마 챔버 내에 플라즈마로 형성된 이후에 그 플라즈마가 전기장의 영향을 받게 함으로써 이온을 인출하게 된다. 플라즈마 챔버 내에 충전된 이온원 가스는 기본 이온 원소가 수소와 결합된 수소 화합물이다. 일례로, 인 이온을 얻는 데에는 PH₃가 사용되고, 붕소 이온을 얻는 데에는 B₂H₆가사용된다. 실제에 있어서는, 용이한 취급 및 안전성 등을 고려해서 수소 화합물 가스 단독으로는 이온원 가스로서 사용하지 않고, 대신에 이온원 가스를 수소 가스로 희석하여 사용하고 있다. 특히, 수소로 희석된 디보란 가스(B₂H₆/H₂), 수소로 희석된 인화수소(phosphine) 가스(PH₃/H₂), 또는 수소로 희석된 알루신(arsine) 가스(AsH₃/H₂)가 이온원 가스로 사용된다.

설명한 바와 같이, 이온원 가스는 수소와 혼합된 수소 가스 화합물이다. 따라서, 혼합 플라즈마, 즉 많은 종류의 이온들을 바탕으로 한 플라즈마가 플라즈마 챔버 내에 생성되게 된다. 일반적으로, 플라즈마는 피가공물에 주입시키기에 적합한 이온뿐만 아니라 그에 부적절한 이온까지도 포함한다. 더욱이, 플라즈마는 이온화를 통하여 생성된 부산물로 이루어진 이온들도 포함한다. 또한, 플라즈마는 에너지 분산성을 갖는 전자를 포함한다. 일례로, 수소로 희석된 디보란 가스(B₂H₆/H₂)를 사용하는 경우, B⁺ 이온과 B₂ ⁺ 이온 외에도, B₂H_x ⁺ 이온(X=1, 2, 3, 4, 5, 6) 또는 BH_y ⁺ 이온(y=1, 2, 3) 등이 붕소 관련 이온으로 생성된다. 혹은, H⁺ 이온 또는 H₂ ⁺ 이온, H₃ ⁺ 이온 등이 수소 관련 이온으로 생성된다. 그 비율을 보면, 수소 관련 이온은 붕소 관련 이온의 85% 내지 15%가 된다. 수소로 희석된 인화수소(phosphine) 가스(PH₃/H₂)를 이온원 가스로 사용하는 경우에는, 수소 관련 이온은 인(P) 관련 이 온의 70% 내지 30%가 된다.

따라서, 디보란 가스 등과 같은 도판트 가스가 플라즈마 챔버 내에서 수소 가스로 희석되어서, 플라즈마 챔버 내에서 활성화된 고에너지 전자가 방출된다. 이와 같은 이온화 공정을 통해서, 소망하는 이온(B⁺ 또는 P⁺) 이외에 수소 이온도 생성되어서 열린 배출구를 통해서 인출되는 이온 비임을 형성한다.

따라서, 수소 관련 이온은 소망하는 이온과 함께 이식된다. 수소 관련 이온이 과도한 전류 밀도를 갖게 되는 경우, 이온들은 피가공물에 대해서 바람직하지 않은 열 증가를 야기하고, 그에 따라 반도체 웨이퍼나 유리 기판의 표면 상의 포토 레지스트(photoresist)가 손상된다.

이온 비임 인출에 기여하지 않는 바람직하지 않은 이온들의 수를 감소시키기 위해서 플라즈마 챔버 내에 자석들을 마련하여서 이온화 플라즈마가 분열될 수 있도록 하는 방법이 일반적으로 알려져 있다. 자석들은 바람직하지 않은 이온들과 고에너지 전자를 플라즈마 챔버의 개방된 배출구에서 멀리 떨어진 장소에 구속시키고, 반면에 소망하는 이온들과 저에너지 전자들을 플라즈마 챔버의 개방된 배출구 근처의 장소에 구속시킨다.

이온 도핑 등을 감안할 때, 플라즈마 챔버로부터 인출된 B₂H_x ⁺ 이온 또는 BH_y ⁺ 이온이 포함되는 경우, 두드러진 문제점은 없다. 그러나 H_x ⁺ 이온(X=1, 2, 3)이 포함되는 것은 허용되지 않는다. 그와 같은 바람직하지 않은 이온은 플라즈마 챔버의 벽들, 인출 전극, 또는 이온 도핑을 하는 피가공물에 충돌하여 열 부하를 야기한다. 또한, 가속 전류가 쓸모없이 소모된다. 따라서, 고품질의 이온원을 유지하기 위해서는 H_x ⁺ 이온이 이온 비임에 포함되지 않게 하는 것이 필요하다.

따라서, 플라즈마 챔버 내에 자기 필터가 마련되는데, 구체적으로 설명하면, 자기 필터가 플라즈마 챔버의 바닥부와 그에 평행한 인출 전극과의 사이에 마련된다. 이와 같은 구조에 있어서는, 인출 전극을 향하여 진행하는 무거운 이온들은 자기 필터를 통과하고 반면에 가벼운 이온들은 그 자석들에 의해서 통과가 차단된다. 이러한 것에 대해서는 일본 공개특허공보 평8-209341호의 문단번호 0003 ~ 0006과 문단번호 0021~0023의 내용이 참고된다.

상기 참고문헌에 개시된 이온원 장치에서는, 자기 필터의 슬릿 안으로 진입한 이온들 중에서 질량이 작은 H⁺ 이온과 H₂ ⁺ 이온과 같은 가벼운 이온들만이 이온의 진행 방향에 대해 직교하는 슬릿 내에 형성된 자장에 의해서 큰 곡선을 그리게 된다. 이어서 그 이온들은 라모어 반경 범위(Larmor radius) 안으로 진입하여서 자장에 의해 포획된다. 이상의 과정을 통해서 플라즈마 전극측의 가벼운 이온들이 발산되어서 소멸된다.

반면에, B⁺ 이온 및 B₂ ⁺ 이온, B₂H_x ⁺ 이온, BH_y ⁺ 이온, P⁺ 이온, PH_x ⁺ 이온(x=1, 2, 3) 등과 같이 무거운 질량을 갖는 무거운 이온들은 그들의 진행 방향에 대한 영향을 덜 받으면서 슬릿을 통과하고, 그에 의해 그 이온들은 플라즈마 전극을 향하여 소산된다. 그러나 이상에서 설명한 방법은 자기 필터의 성능에만 크게 의존한다. 또한, 자기 필터는 이온의 생성에 악영향을 미치며 이온의 수를 감소시키는 작용을 한다. 또한, 여러 가지 이온원 재료들이 자기 필터에 점증적으로 부착되어 집적되므로, 그 필터의 성능이 상당히 저하된다.

또한, 일본 공개 특허 공보 제2000-48734호의 문단번호 0015~0018에는 고주파 이온원으로부터 인출된 이온 비임 내의 수소 이온의 구성비를 억제할 수 있도록 하는 또 다들 방법에 대하여 개시하고 있다.

일반적으로, 고주파 전극들 사이에 형성된 커스프 자기장과 플라즈마가 과도한 경우에는, 고에너지 전자가 드리프트(drift) 운동을 할 가능성이 있다. 그리고 고 이온화 에너지의 수소는 고에너지 전자를 통해서 전해 방식으로 분리되어서 이온화되고, 그에 따라 이온 비임 내의 수소 이온의 구성비가 증가하게 된다. 한편, 커스프 자기장이 너무 약하게 되면 전자의 드리프트 운동이 억제되고, 이는 결국 전자의 수명 기간을 짧게 하여서 고주파 방전을 유지하는 데 있어 더 많은 어려움을 가져온다.

따라서, 플라즈마 챔버 내의 플라즈마와 고주파 전극들 사이에 형성된 피복내의 커스프 자기장의 강도를 1~3mT로 설정함으로써, 피복 내의 커스프 자기장이 제어된다. 이와 같은 구성에 의하면, 고에너지 전자의 드리프트 운동이 제어될 수 있고, 피복 내에서의 최소로 드리프트 운동을 하는 짧은 수명의 전자 내에 고주파 방전을 유지하는 것이 용이해진다. 따라서, 이온 비임이 안정되게 인출될 수 있을 뿐만 아니라 수소 이온의 구성비도 잘 억제될 수 있다.

그러나 상기 방법에서는 고에너지 전자의 드리프트 운동을 억제할 필요가 있기 때문에 플라즈마로부터 소망하는 이온을 형성시켜서 고출력 이온 비임을 출력하는 것이 어려워지게 된다.

또한, 도 7a에 도시된 바와 같은 버누스(burnous)형의 이온원 장치가 표준 이온원으로 사용될 수도 있다. 버누스형 이온원을 참고해 보면, 한 쌍의 자석(33)이 서로 대향하게 제공되고 아크 챔버(32)의 외부에 플라즈마 전극(31)이 제공되고, 그에 따라 자장을 생성하게 된다. 열전자(36)는 아크 챔버(32) 내의 필라멘트(34)로부터 음극 캡(35)을 통해서 방출된다. 이와 같은 열전자(36)는 이온원 가스의 붕소 또는 인과 반응하여 이온들을 생성한다. 전기장 발생원이 플라즈마 챔버의 내벽에 배치된 영구 자석에 의해 영향을 받는 경우, 열전자(36)는 도 7b에 도시된 바와 같이 외부 자석(33)의 자속을 따라서 나선형으로 물러나가는 방식으로 전기장 내에 포획된다. 포획된 전자의 운동 방향(e)은 열전자(36)가 필라멘트(34)로부터 방출될 때의 방향에 따라 결정된다. 즉, 이러한 전자의 운동 방향은 자속 중의 어느 하나와 같거나 아니면 그 반대이다. 이와 같은 현상은 도 7c에 도시된 바와 같은 사이클론 운동에 기초하는 것으로서, 전자와 이온은 자속을 중심으로 하여 선회하는 방식으로 자속을 따라서 이동한다.

한편, RF 안테나가 플라즈마 챔버 내에 배치된 경우, 소망하는 전압은 고주파수(마이크로파) 전원을 통해서 인가된다. 일례로, 13.56 MHz의 고주파수 전기장이 안테나에 인가되는 경우, 전기장은 도 7d에 도시된 바와 같은 방향으로 생성되고, 자장은 그 전기장의 방향에 직교하는 방향으로 생성된다. 따라서, 전기장에 의 해 가속된 전자들과 가스 분자들 간의 충돌을 통해서 전리가 진행되고 그에 따라 공기 미립자들이 플라즈마를 생성한다. 그러나 전자의 드리프트 운동은 안테나에 의한 전기장의 동작을 통해서만 제한된다. 또한 자장은 그 자장의 생성과는 상관 없이 전자에 대해서 제한된 영향만을 미친다.

이상의 상황에 비추어, 본 발명의 목적은, 전자 에너지 최적화 방법 및 그 방법을 사용하는 이온원 장치를 제공하는 데 있다. 구체적으로, 본 발명에서는, 바라지 않는 수소 이온의 수를 낮춤으로써 무거운 이온의 생성률이 향상될 수 있도록, 플라즈마 챔버 내에 자기 필터는 구비시키지 않으면서 안테나와 자석을 배치시킨다. 본 발명은 또한 고주파 이온원의 효율 향상에도 기여한다.

이상의 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 특허청구범위에 기재된 바와 같이 다음과 같은 구성을 갖는다. 본 발명의 이온원 장치는 이온원 가스용 공급구를 구비하는 플라즈마 챔버와, 고주파 출력부로부터 공급된 고주파 전압을 통하여 플라즈마 챔버 내에 플라즈마를 생성시키는 안테나 요소와, 플라즈마 챔버의 벽면의 주변에 배치되어서 플라즈마를 구속하는 커스프 자기장을 형성하는 다수의 자석 요소와, 플라즈마로부터 이온 비임을 인출하기 위한 다수의 전극으로 구성된 인출 전극 시스템을 포함한다.

특정의 구성에 있어서, 본 발명은 안테나 요소를 사이에 개재시키고 있으며 자석 요소와 안테나 요소에 대해서 수평 방향과 수직 방향의 양 방향으로 상대 이동이 가능한 적어도 한 쌍의 안테나 대향 자석들과; 안테나 요소 둘레에 고농도의 전자 생성 영역이 형성될 수 있도록, 플라즈마 챔버 내의 안테나 요소에 대해 상기 안테나 대향 자석들의 위치를 조정하는 제어 수단을 포함한다.

따라서, 플라즈마 챔버 내에 남아 있거나 안테나 요소로부터 생성되는 전자들은 안테나 코일을 흐르는 전류를 통하여 생성되는 전기장의 영향을 받는다. 안테나 대향 자석들에 의해 생성되는 자장과, 그리고 안테나 대향 자석들과 이 안테나 대향 자석에 인접한 자석 요소들과의 사이에서 생성되는 자장에 의해서, 전자 포획 영역, 즉 고농도의 전자 생성 영역이 안테나 요소 둘레에 형성된다. 전자 포획 영역에는, 전자의 수가 상당히 많기 때문에 이온원 가스의 성분에 근거한 많은 수의 이온이 분리되어서 고출력 이온 비임이 인출 전극 시스템으로부터 인출될 수 있게 된다. 또한, 수소 이온 등과 같은 가벼운 이온은 안테나 대향 자석들에 의해 생성된 자장의 자기 작용과 그리고 안테나 대향 자석들과 이 안테나 대향 자석에 근접한 자석 요소와의 사이에서 생성된 자장의 자기 작용을 통해서 포획된다.

더욱이, 본 발명의 이온원 장치에는 플라즈마 챔버 내에 안테나 요소에 근접한 안테나 대향 자석이 마련되고, 안테나 요소에 대한 안테나 대향 자석들의 상대 위치는 조정된다. 이외에도, 본 발명은 안테나 요소의 출력에 의거한 전기장과 그리고 안테나 대향 자석에 의한 안테나 요소를 가로지르는 자장에 기인하여 안테나 요소 둘레에 전자를 포획시키는 이른바 고농도의 전자 생성 영역을 형성하는 단계를 포함한다. 따라서, 플라즈마 챔버 내의 전자 에너지는 소망하는 이온의 생성률을 증가시킬 수 있도록 최적화된다.

또한, 전자 생성 영역 내에서 생성된 전자를 통하여 이온원 가스들을 이온화함으로써, 그리고 안테나 대향 자석을 통하여 생성된 자장과 플라즈마 챔버의 벽에 마련된 자석 요소와 안테나 대향 자석을 통하여 생성된 자장에 의거하여 두 가지 형태의 자기 작용을 형성시킴으로써, 수소 이온 등과 같이 소망하지 않는 가벼운 이온들이 포획되어서 타겟 이온으로만 구성된 이온 비임이 형성되게 된다.

이하에서는 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예에 대해서 설명한다. 도 1은 본 발명에 따른 고주파 이온원 장치를 도시하는 개략적인 블럭 단면도이다. 고주파 방전을 통하여 플라즈마를 발생시키는 이온원 장치(1)는 플라즈마를 구속하는 플라즈마 챔버(2)와, 플라즈마 챔버(2) 내의 플라즈마로부터 전기장을 통해서 이온 비임을 인출하는 인출 전극 시스템(3)을 포함한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 직사각형의 플라즈마 챔버(2)는 이온원 가스를 공급하기 위한 개방된 인입구(4)를 구비하는 상부벽(5)과, 상기 상부벽(5)과 일체로 형성되며 그 외주부에 영구 자석(6)들이 구비되어 있는 4개의 측벽(7)과, 개방된 배출구를 구비하는 바닥벽(8)을 포함한다. 영구 자석(6)은 N극이나 S극이 플라즈마 챔버(2)의 벽들과 대면하도록 하는 방식으로 배치된다. 따라서, 자속이 접촉하는 자석들 사이에서 N극으로부터 S극으로 지향하고, 그에 의해 플라즈마 챔버(2)의 중심 쪽으로 커스프 자기장 집중 플라즈마가 형성된다. 도 3도 참고가 된다.

플라즈마 챔버(2) 안으로 공급된 이온원 가스는 압축 가스 공급원으로부터 직접 혹은 간접적으로 얻을 수 있는 이온화 가능한 도판트 가스이고, 소정량의 도판트 가스가 플라즈마 챔버(2) 안으로 배출된다. 붕소(B), 인(P) 또는 비소(As)일 수 있는 통상적인 이온원 원소는 디보란, 인화수소, 알루신 등과 같은 것으로부터 가스상으로 공급된다. 또한, 진공 펌핑 장치(도시되지 않음)가 플라즈마 챔버를 진공시키기 위한 수단으로서 연결된다.

또한, 플라즈마 챔버(2)에는 상부벽(5)과 측벽(7)에 배치된 공급구(15)와 배출구(16)를 통하여 냉각제를 플라즈마 챔버의 벽 표면 둘레에서 순환시키는 응축기 튜브(도시되지 않음)도 마련된다. 또한, 도 4에 도시된 바와 같이, 플라즈마 챔버(2)의 측벽에 한쪽 단부로부터 다른쪽 단부까지 종방향으로 연장되는 또 다른 응축기 튜브(18)를 마련하여서, 냉각제가 안테나 대향 자석(20a, 20b)(이하에서는, 간단히 안테나 대향 자석(20)이라고 함)의 측면에서 흐를 수 있도록 한다. 가요성 연결구(19)가 응축기 튜브(18)의 일 단부측과 연결되고, 그에 따라 안테나 대향 자석(20)은 안테나 요소(10)에는 어떠한 제한을 주지 않으면서 이동 가능하게 된다.

인출 전극 시스템(3)은 도 1에 도시된 바와 같이 정렬된 상태의 플라즈마 전극(11), 인출 전극(12), 억제 전극(13), 및 접지 전극(14)으로 구성된다. 각 전극은 다수의 개구부를 구비하고, 그에 따라 이온 비임이 소정 전압의 전기장의 작용을 통해서 플라즈마 챔버(2)로부터 인출될 수 있다.

이하에서는 도 2 내지 도 5를 참고하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 우선, 본 발명은 상부벽(5)의 안테나 도입구로부터 연장되는 안테나 요소(10)와, 상기 안테나 요소(10)를 사이에 개재시키고 있으며 긴 형상을 하고 있는 한 쌍의 안테나 대향 자석(20)과, 상기 안테나 대향 자석(20)들이 안테나 요소(10)에 근접하고 또한 그로부터 멀어지게 할 수 있도록 수평 및 수직 방향으로 이동할 수 있는 조정 수단(도 5 참조)을 포함하는 플라즈마 챔버를 구비한다.

도 4를 참고하면, 3개의 안테나 요소(10)가 플라즈마 챔버(2) 내에 고르게 배치되고, 상기 플라즈마 챔버(2)의 측벽(7) 둘레에는 영구 자석(6)이 구비되어 있다. 2회 권선 코일로 구성된 각 안테나 요소(10)는 각각 상응하는 고주파 출력부(17)에 연결된다. 여기서, 안테나 요소(10)는 상부벽(5)에 매달려 고정되어서 플라즈마 챔버(2)의 중앙 부분에 위치하지만, 그 안테나 요소(10)를 수직 방향으로 이동하게 하여 구성할 수도 있다.

안테나 대향 자석(20)은 플라즈마 챔버(2)의 측벽에 평행하게 배열된 한 쌍의 봉형 영구 자석(20a, 20b)으로 구성된다. 또한, 안테나 대향 자석(20)은 안테나 요소(10)가 사이에 개재될 수 있도록 안테나 요소(10)의 전방측과 후방측에 배치된다. 도 4는 후방측에 있는 영구 자석(20a)만을 도시하고 있다.

도 6에 도시된 바와 같이, 안테나 대향 자석(20) 각각은, 영구 자석(23) 및 요크(23')와, 상기 영구 자석(23)과 요크(23')의 외부를 완전히 덮어씌우는 스테인리스강으로 제조된 2개의 차폐 케이스(24)로 구성된다. 안테나 대향 자석(20)은 플라즈마 챔버(2)의 양측 단부에 각각 위치하고 있는 지주(21)들에 의해 지지되는 조정 수단(30)을 통하여 설치된다. 도 4 및 도5가 참고된다. 또한, 안테나 대향 자석(20)을 냉각시키기 위하여, 차폐 케이스(24)의 표면 위에는 응축기 튜브(18)가 마련된다.

안테나 대향 자석(20)은 볼트, 스크류 등과 같은 체결구에 의해 조정 수단(30)의 수평 판(29)에 고정된다. 이와 같은 구성에 있어서, 안테나 대향 자석(20)과 안테나 요소(10) 간의 수평 거리는 조정될 수 있다. 여기서, 한 쌍의 영구 자석이 안테나 대향 자석(20)에 적용되고 있지만, 이에 제한되지는 않는다. 즉, 한 쌍의 영구 자석이 안테나 요소(10) 각각에 적용될 수 있고, 이와 달리 안테나 요소(10)의 일 측면에만 자석들이 적용될 수도 있다.

조정 수단(30)은, 고주파 출력부(17)의 하우징 상부면(12a)에 장착된 구동 모터(26)의 축에 연결된 회전축(27)을 통하여 수직 방향으로 승강되는 지지 장치(28)를 구비한다. 도 5가 참고된다. 지지 장치(28)는 측방향으로 연장되는 수평 판(29)을 구비하고, 이미 설명한 바와 같이 안테나 대향 자석(20)은 그 수평 판(29)의 양쪽 단부에 설치된다. 이와 같은 구성에 있어서, 안테나 대향 자석(20)은 지지 장치(28)가 조정 수단(30)을 통하여 수직 방향으로 이동할 수 있도록 하는 방식으로 안테나 요소(10)에 수직 방향에서 근접하거나 혹은 그로부터 멀어질 수 있게 된다. 더욱이, 수평 판(29) 상의 임의의 위치에 안테나 대향 자석(20)을 설치함으로써, 자석(20a, 20b)들 간의 상대 거리가 조정되어서 안테나 요소(10)에 대한 수평 방향 조정이 가능해진다.

안테나 대향 자석(20)과 안테나 요소(10) 간의 위치 관계를 연구하였다. 그 결과, 안테나 요소(10)를 개재시킨 자석(20a, 20b)들 간의 거리가 고농도 전자의 국부 크기에 영향을 미친다는 점을 밝혀내었다. 구체적으로 설명하면, 안테나 대향 자석(20)들을 플라즈마 챔버(2)의 벽면과 안테나 요소(10) 사이에서 바르게 배치하였을 때에, 최적화된 전자 에너지가 얻어졌다.

또한, 커스프 자기장을 형성하는 플라즈마 챔버(2)의 벽면의 둘레에 배치되는 다수의 영구 자석(6)들은 바람직하기로는 인출 전극 시스템(3)의 최전방 열에 근접한 플라즈마 챔버(2)의 벽면에는 배치하지 않는 것이 좋다. 도 2에 따르면, 플라즈마 챔버(2)를 안테나 요소(10)의 끝단이 위치하는 점선(수평면)(P)을 기준으로 하여 보다 많은 수의 영구 자석(6)을 구비하는 영역(S)과 보다 적은 수의 영구 자석(6)을 구비하는 영역(T)으로 가상 분할할 수 있다. 이와 같은 구성에 있어서는, 전자가 가장 효율적으로 생성되는 영역이 만들어질 수 있다.

또한, 안테나 대향 자석(20) 각각은 적어도 1열의 영구 자석(6)의 요크 부분을 둘러싸는 금속 차폐 케이스(24) 내에 배치된다. 또한, 차폐 케이스(24)에는 플라즈마로부터 나온 열을 냉각시키는 냉각 덕트가 마련되기 때문에, 안테나 대향 자석(20)의 물리적 특성은 최대가 된다.

이하에서는, 위에서 설명한 바와 같은 이온원 장치(1)에 있어서의 안테나 요소(10)로부터 발생하는 이온화 전자의 거동에 대해서 설명한다.

고주파 출력부(17)로부터 안테나 요소(10)에 고주파 전압을 인가하는 동안에, 안테나를 타고 흐르는 전류를 통하여 전기장이 생성되고, 전기장에 직교하는 방향으로 자장이 작용한다(도 7d 참조). 전기장은 전자에 적극적으로 작용하고, 자장은 전자에 대해서 아주 작은 작용을 한다. 또한, 플라즈마 챔버(2) 내에 고주파 전압을 통하여 방전 플라즈마가 생성될 때, 그 방전 플라즈마는 자석에 의해 형성된 커스프 자기장에 의해서 플라즈마 챔버(2) 안에 구속된다. 그러나 플라즈마 챔버(2)의 측벽의 둘레에 구비된 영구 자석(6)에 의해 형성된 커스프 자기장으로는 플라즈마 챔버(2)의 중심부에서 미약한 자장만을 얻을 수 있는 게 보통이다. 그 결과, 플라즈마 챔버(2)의 중심부에서는 저밀도의 플라즈마만이 생성되고, 그에 따라 목표 이온이 생성될 수 있을 에너지 범위의 전자를 생성하는 자장은 강화될 수가 없다.

따라서, 본 발명에 있어서는 안테나 요소(10)가 플라즈마 챔버(2)의 중심부에 배치되고, 적어도 한 쌍의 안테나 대향 자석(20)이 그 안테나 요소(10)의 근방에 배치된다. 안테나 요소(10)에 의한 고주파 전기장과 안테나 대향 자석(20)에 의한 자속이 전기장을 통과함으로써, 플라즈마 챔버(2)의 중심부의 플라즈마 밀도가 진해진다. 이러한 구성에 대해서는 이하에서 설명한다.

안테나 요소(10)를 개재하고 있는 한 쌍의 안테나 대향 자석(20)을 플라즈마가 통과할 때에, 플라즈마 내의 전자는 자장 내의 라무어 반경 범위가 작기 때문에 자속에 의해 포획된다. 따라서, 안테나 요소(10)를 통과하는 자장의 강도를 적절히 조정하게 되면, 전자 밀도가 진한 영역이 안테나 요소(10) 둘레에 형성될 수 있게 된다. 그 영역에서는 일례로 이온원 가스의 디보란 가스(B₂H₆)가 전자를 통해서 B₂H_x ⁺ 이온, BH_y ⁺ 이온, H_x ⁺ 이온 등으로 분리된다. 따라서, 이온 비임을 형성하는 더 많은 수의 목표 이온이 고밀도 전자 영역에 생성된다. 보다 상세하게 설명하면, 그와 같은 고밀도 전자 영역에 전자들이 포획되어서 이동하는 동안에, 그 에너지를 잃게 된다. 그리고 H의 이온화 에너지 이하 및 디보란의 이온화 에너지 이상에서, 디보란 이온은 증가하게 된다. 이상에 근거하여 볼 때, 안테나 둘레의 영역에, 디보란 분자가 적절하게 여기되는 전자 에너지 분포를 갖는 플라즈마가 생성된다.

이외에도, 도 3에 도시된 바와 같은 커스프 자기장에 있어서, 안테나 대향 자석(20)은 플라즈마 챔버(2)의 벽면에 배치된 영구 자석(6) 근처에 자장을 형성한다. 여기서, 자속(m, n)이 어느 한 자석의 N극으로부터 다른 자석의 S극 쪽의 방향으로 형성되어서 자기 필터를 형성한다. 그 결과, 안테나 대향 자석(20)들 사이에 형성된 자기 필터에 의해서 뿐만 아니라 안테나 대향 자석(20)과 플라즈마 챔버(2)의 벽면에 가깝게 배치된 영구 자석(6)과의 사이에 형성된 자기 필터에 의해서도 전자 또는 수소 이온 등과 같은 가벼운 이온이 포획될 수 있게 된다. 한편, 이온 비임을 형성하는 데 필요한 무거운 이온은 플라즈마 챔버(2) 내의 자기 필터를 통과할 수 있고, 그에 의해 강한 이온 비임이 인출 전극 시스템에 의해 인출될 수 있게 된다.

본 발명에 따르면, 이상에서 설명한 내용으로부터 파악할 수 있는 효과를 발휘하는 바, 이를 간략히 정리하면, 바라지 않는 수소 이온의 수를 낮춤으로써 무거운 이온의 생성비를 향상될 수 있으며 고주파 이온원의 효율도 향상시킬 수 있다.

끝으로, 본 발명은 전술한 특정 실시예에 제한되는 것은 아니며, 개시된 범위 내에서의 임의의 가능한 변경 및 수정들을 포함한다.

Claims

이온원 가스용 공급구를 구비하는 플라즈마 챔버와,

고주파 전원으로부터 공급되는 고주파 전압에 의하여 상기 플라즈마 챔버 내에 플라즈마를 생성하기 위한 안테나 요소와,

상기 플라즈마 챔버의 벽면의 주위에 배치되어서 상기 플라즈마를 구속하는 커스프 자장을 형성하는 다수의 자석 요소와,

상기 플라즈마로부터 이온 비임을 인출하기 위한 다수의 전극으로 구성된 인출 전극 시스템을 구비하고,

상기 플라즈마 챔버의 중심부에 상기 안테나 요소를 배치하는 동시에 상기 안테나 요소의 근방에 적어도 한 쌍의 안테나 대향 자석을 배치함으로써 안테나 요소를 사이에 개재한 한 쌍의 안테나 대향 자석을 구성한, 이온원 장치에 있어서,

상기 플라즈마 챔버 내에서 상기 안테나 요소에 대향 배치되고 또한 상기 자석 요소 및 상기 안테나 요소 대해서 수평 방향과 수직 방향으로 상대 이동 가능한 적어도 한 쌍의 안테나 대향 자석과;

상기 안테나 요소의 출력에 의거한 전기장과, 안테나 요소를 가로지르는 상기 안테나 대향 자석에 의한 자장에 의하여, 상기 안테나 요소 주위에 고농도의 전자 발생 영역이 형성되고, 그리고 안테나 요소에 의한 고주파 자장과 이 자장을 가로지르는 안테나 대향 자석에 의한 자력선에 의하여 플라즈마 챔버의 중심부의 플라즈마 밀도가 진해지도록, 상기 플라즈마 챔버 내에서 안테나 요소에 대한 상기 안테나 대향 자석들의 위치를 조정하는 제어 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 이온원 장치.
제1항에 있어서, 상기 제어 수단은 안테나 대향 자석들 간의 거리와, 안테나 대향 자석들과 인출 전극 시스템 내의 최전방 열의 전극과의 사이의 거리 중에서 적어도 하나를 조정하는 것을 특징으로 하는 이온원 장치.
삭제
제1항에 있어서, 상기 안테나 대향 자석들이 플라즈마 챔버의 벽면과 안테나 요소의 거의 중심부에 위치되는 것을 특징으로 하는 이온원 장치.
제1항에 있어서, 커스프 자기장을 형성하는 플라즈마 챔버의 벽면의 둘레에 배치되는 다수의 자석 요소들이, 인출 전극 시스템의 최전방 열의 전극 근처의 플라즈마 챔버 벽면에는 배치되지 않는 것을 특징으로 하는 이온원 장치.
제5항에 있어서, 플라즈마 챔버는, 플라즈마 챔버 내에서 연장하는 안테나 요소의 끝단이 위치하는 곳에 형성한 가상 수평면을 기준으로 하여, 많은 수의 자석 요소를 구비하는 상부 영역과 적은 수의 자석 요소를 구비하는 하부 영역으로 분할된 것을 특징으로 하는 이온원 장치.
제1항, 제2항, 제4항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 안테나 대향 자석들은, 적어도 1열의 영구 자석의 요크 부분을 덮어씌우는 금속 차폐 케이스 내에 배치되는 것을 특징으로 하는 이온원 장치.
제7항에 있어서, 상기 금속 차폐 케이스에는 플라즈마로부터 받은 열을 냉각시키는 냉각 덕트가 구비된 것을 특징으로 하는 이온원 장치.
플라즈마 챔버의 벽에 자석 요소를 배치하여 커프스 자장을 형성하고, 또한 플라즈마 챔버의 중심부에 설치한 안테나 요소에 고주파 전압을 인가하여 전자의 방전 플라즈마를 생성하는 동시에, 상기 플라즈마 챔버 내에 이온원 가스를 공급하여 이온의 플라즈마를 형성하고, 다수의 전극으로 이루어지는 인출 전극 시스템에 의하여 상기 플라즈마로부터 전기장의 작용으로 이온 빔을 인출하는 이온원 장치에 서, 소망하는 이온의 생성률을 증대시키기 위한 전자 에너지 최적화 방법에 있어서,

상기 플라즈마 챔버 내의 상기 안테나 요소 근방에 적어도 한 쌍의 안테나 대향 자석을 설치하고; 안테나 요소를 개재한 한 쌍의 안테나 대향 자석을 구성하여 상기 안테나 요소에 대한 상기 안테나 대향 자석의 상호 위치를 조정하고; 상기 안테나 요소의 출력에 의거한 전기장과, 이 안테나 요소를 가로지르는 상기 안테나 대향 자석의 자장에 의하여 플라즈마 챔버의 중심부의 플라즈마의 밀도를 진하게 하도록, 상기 안테나 요소 주위에 전자가 포획되는 고농도의 전자 발생 영역을 형성한 것을 특징으로 하는 전자 에너지 최적화 방법.
제9항에 있어서,

상기 고농도의 전자 발생 영역에 생성된 전자를 통하여 이온원 가스를 이온화하는 단계와,

안테나 대향 자석들을 통하여 생성된 자장과, 플라즈마 챔버의 벽에 구비된 자석 요소들과 안테나 대향 자석들 사이에서 생성된 자장인 2개의 자기 작용을 생성시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 에너지 최적화 방법.
제9항에 있어서, 상기 안테나 대향 자석들은 안테나 요소를 개재시킨 한 쌍의 영구 자석들로 구성되고, 상기 안테나 대향 자석들은 플라즈마 챔버의 벽면과 안테나 요소의 대략 중심부에 배치되는 것을 특징으로 하는 전자 에너지 최적화 방법.