KR102717459B1 - Inductively Coupled Plasma ion beam source with high voltage application and modular replacement - Google Patents
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Abstract
본 발명은 고전압 인가와 모듈식 교체가 가능한 유도결합 플라즈마 이온빔 소스에 관한 것으로서, 입구와 출구를 구비하고, 입구로 유입된 가스를 이용하여 플라즈마를 생성·유지할 수 있도록 내벽과 외벽을 구비한 플라즈마 챔버와, 상기 플라즈마 챔버의 입구에 장착되는 입구 커버 전극과, 입구 커버 홀더, 입구 홀더 마운트, 상기 입구 커버 전극에 장착되는 가스 주입 장치와, 상기 플라즈마 챔버의 출구에 배치되는 출구 커버와, 상기 출구 커버에 배치되는 가속전극과, 상기 가속전극을 지지하는 가속전극 홀더를 포함하는 캡슐형 플라즈마 챔버 조립체; 상기 가속전극 하측으로 일정 거리 이격되어 배치되는 익스트랙터(Extractor) 전극; 상기 플라즈마 챔버의 외벽 외부에 배치되어 RF 파워를 제공하는 RF 코일; 상기 플라즈마 챔버의 내·외벽 사이로 절연 물질을 순환시키는 절연 물질 순환수단;을 포함하여 구성된다.
The present invention relates to an inductively coupled plasma ion beam source capable of high voltage application and modular replacement, comprising: a plasma chamber having an inlet and an outlet, and inner and outer walls for generating and maintaining plasma using gas introduced through the inlet; an inlet cover electrode mounted at the inlet of the plasma chamber, an inlet cover holder, an inlet holder mount, a gas injection device mounted on the inlet cover electrode, an outlet cover disposed at the outlet of the plasma chamber, an accelerating electrode disposed on the outlet cover, and an accelerating electrode holder supporting the accelerating electrode; an extractor electrode disposed at a predetermined distance below the accelerating electrode; an RF coil disposed outside the outer wall of the plasma chamber to provide RF power; and an insulating material circulation means for circulating an insulating material between the inner and outer walls of the plasma chamber.
Description
본 발명은 고전압 인가와 모듈식 교체가 가능한 유도결합 플라즈마(Inductively Coupled Plasma : 이하 ICP라 한다) 이온빔 소스에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 ICP 이온빔 소스에 고전압 인가가 가능하도록 플라즈마 챔버를 이중관형으로 구성하고, 상기 이중관형 챔버의 내·외벽 사이로 절연 물질을 순환시켜 고전압 인가에 따라 발생할 수 있는 절연파괴 등의 문제점을 해결하며, 모듈식으로 교체가 가능하게 한 플라즈마 이온빔 소스에 관한 것이다.The present invention relates to an inductively coupled plasma (ICP) ion beam source capable of high voltage application and modular replacement, and more specifically, to a plasma ion beam source configured with a double-tubular plasma chamber so as to enable high voltage application to an ICP ion beam source, and circulating an insulating material between the inner and outer walls of the double-tubular chamber to solve problems such as insulation breakdown that may occur due to high voltage application, and enabling modular replacement.
플라즈마(Plasma)란 전기적인 방전으로 인해 생기는 전하를 띈 양이온 및 전자들의 집단으로, 짝짓지 않은 전자를 갖는 원자단인 라디칼(Radical)을 포함한다. 플라즈마 내부에는 활발하게 움직이는 전자, 이온 및 라디칼이 존재하므로 다른 물질을 여기 또는 전리시키는 화학적 반응을 일으킬 수 있다. 또한, 플라즈마 외부에 전계를 걸어줌으로써, 전자 및 이온의 운동 속도를 조절하여 다른 물질과 충돌을 유발하는 물리적 반응을 일으킬 수 있다. 상기 플라즈마에 의한 화학적 반응 및 물리적 반응은 물질을 증착하는 공정에 적용할 수 있을 뿐만 아니라, 물질을 식각하는 공정에도 적용할 수 있다.Plasma is a group of charged positive ions and electrons generated by an electrical discharge, and includes radicals, which are atomic groups with unpaired electrons. Since there are actively moving electrons, ions, and radicals inside the plasma, it can cause a chemical reaction that excites or ionizes other substances. In addition, by applying an electric field to the outside of the plasma, the movement speed of the electrons and ions can be controlled, causing a physical reaction that causes a collision with other substances. The chemical and physical reactions caused by the plasma can be applied not only to the process of depositing a substance, but also to the process of etching a substance.
일반적으로 플라즈마를 이용한 처리장치로는 박막 증착을 위한 PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vaper Deposition) 장치, 증착된 박막을 식각하여 패터닝하는 식각장치, 스퍼터(Sputter), 애싱(Ashing) 장치, 이온빔 소스, 전자빔 소스 등이 있다. 또한, 이러한 플라즈마 발생장치는 RF(Radio Frequency) 파워의 인가방식에 따라 용량결합형(Capacitively Coupled Plasma; 이하 CCP라 한다)과, 유도결합형(Inductively Coupled Plasma) 장치로 구분된다.In general, processing devices using plasma include PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) devices for thin film deposition, etching devices that etch and pattern the deposited thin film, sputtering and ashing devices, ion beam sources, and electron beam sources. In addition, these plasma generating devices are classified into capacitively coupled plasma (CCP) and inductively coupled plasma (ICP) devices depending on the method of applying RF (Radio Frequency) power.
상기 용량결합형은 서로 대향되는 평행판전극에 RF 파워를 인가하여 전극 사이에 수직으로 형성되는 RF 전기장을 통해 플라즈마를 발생시키는 방식인 반면, 상기 유도결합형은 진공 유지가 가능한 플라즈마 챔버의 외부에 고주파 안테나를 설치하고, 상기 고주파 안테나와 플라즈마 처리실 사이의 벽(window)을 유전체로 구성한 채, 상기 고주파 안테나에 고주파 전력을 공급함으로써 플라즈마 챔버 내부에 유도전기장을 형성시켜, 상기 유도전기장에 의해 상기 플라즈마 챔버에 도입된 처리 가스가 플라즈마화 되도록 하는 방식이다. 상기 유도결합형은 상기 고주파 안테나의 모양과 외부 자기장에 따라 ICP(Inductively Coupled Plasma), TCP(Transformer Coupled Plasma), 헬리컬 플라즈마(Helical Plasma), 헬리콘 플라즈마(Helicon Plasma), ECR 등으로 구분된다.The above capacitively coupled type is a method that generates plasma by applying RF power to opposing parallel plate electrodes and through an RF electric field formed vertically between the electrodes, whereas the inductively coupled type is a method that installs a high-frequency antenna outside a plasma chamber capable of maintaining a vacuum, forms an induced electric field inside the plasma chamber by supplying high-frequency power to the high-frequency antenna while the wall (window) between the high-frequency antenna and the plasma processing room is composed of a dielectric, and causes a processing gas introduced into the plasma chamber to be plasma-ized by the induced electric field. The inductively coupled type is classified into ICP (Inductively Coupled Plasma), TCP (Transformer Coupled Plasma), Helical Plasma, Helicon Plasma, ECR, etc. depending on the shape of the high-frequency antenna and the external magnetic field.
도 1은 종래의 ICP 이온빔 소스를 도시한 모식도이다. 도 1을 참조하면, 종래의 플라즈마 이온빔 소스는 플라즈마 챔버의 출구에 이온빔을 가속시키거나 집속시키기 위한 가속전극 및 익스트랙터(Extractor) 전극을 장착하고, 상기 전극들에 소정의 전압을 인가함으로써, 플라즈마로부터 원하는 높은 에너지의 이온빔(이온화된 원자가 이루어진 집단)을 제공하게 된다.Fig. 1 is a schematic diagram illustrating a conventional ICP ion beam source. Referring to Fig. 1, a conventional plasma ion beam source is equipped with an accelerating electrode and an extractor electrode for accelerating or focusing an ion beam at the exit of a plasma chamber, and by applying a predetermined voltage to the electrodes, an ion beam (a group of ionized atoms) of desired high energy is provided from the plasma.
그런데 플라즈마 이온빔 소스를 이용하여 시료를 짧은 시간 내에 가공하려면 많은 양의 이온을 방출시키고 이를 큰 전위차로 가속시킬 필요가 있는바, 많은 양의 이온을 방출시키기 위하여 RF 파워를 상승시키거나, 가스를 보다 많이 공급하거나, 인출구의 구경을 늘리거나, 플라즈마를 인출구 가까이에서 발생시키는 방법 등이 사용될 수 있다. 이 중 가장 효과적인 방법으로 플라즈마를 인출구 가까이에서 발생시키는 방법이 사용될 수 있는데, 이때 인출구는 가속전극의 중앙에 위치하고, 가속전극은 플라즈마 챔버의 하단부 끝단에 위치하게 된다. RF 코일의 위치를 가속전극에 가깝게 위치시키면 진공 외부에 가속전극이 노출되어 있을 경우, 대기압 환경에서 RF 코일과 가속전극 사이에 전기적인 용량 겹합(capacitive coupling)이 증가하게 되어 절연파괴로 이어지는 문제점이 발생하고, 가속전극을 진공 내부에 위치시키더라도 30kV 정도의 고전압이 인가되면 진공 환경이라 하더라도 고전압 존(zone)이 생성되어 가속전극 주변이 불안정해질 뿐만 아니라 RF 코일에 의한 전자기장 존(zone)과 중첩되어 전기적인 용량 결합이 증가하게 되고 절연이 파괴되는 문제점이 발생하기 때문에 RF 코일의 위치를 가속전극에 가깝게 배치하지 못하고 통상적으로는 플라즈마 챔버의 중간에 배치할 수밖에 없었다.However, in order to process a sample in a short period of time using a plasma ion beam source, it is necessary to emit a large amount of ions and accelerate them with a large potential difference. To emit a large amount of ions, methods such as increasing the RF power, supplying more gas, increasing the diameter of the outlet, or generating plasma near the outlet can be used. Among these, the most effective method is to generate plasma near the outlet. In this case, the outlet is located at the center of the accelerating electrode, and the accelerating electrode is located at the lower end of the plasma chamber. If the RF coil is positioned close to the accelerating electrode, the capacitive coupling between the RF coil and the accelerating electrode increases in the atmospheric pressure environment when the accelerating electrode is exposed outside the vacuum, which can cause insulation breakdown. In addition, even if the accelerating electrode is positioned inside the vacuum, if a high voltage of about 30 kV is applied, a high voltage zone is generated even in a vacuum environment, which not only makes the area around the accelerating electrode unstable, but also overlaps with the electromagnetic field zone caused by the RF coil, which increases the capacitive coupling and causes insulation breakdown. Therefore, the RF coil cannot be positioned close to the accelerating electrode and is usually placed in the middle of the plasma chamber.
그뿐만 아니라 가속전극을 진공 내부에 넣고 고전압을 인가하려면 고전압 케이블을 가속전극에 직접 접속시켜야 하기 때문에, 고전압 인가용 피드스루(Feedthru) 커넥터를 사용할 수밖에 없는데, 이처럼 고전압 인가용 피드스루 커넥터를 사용하면 가속전극의 길이를 플라즈마 챔버의 길이 방향으로 짧게 적용하기 어려워서 결국, 플라즈마 챔버 하부의 공간이 늘어나야 하고 이에 따라 이온빔 소스의 전체 길이가 길어져서, 목적하는 이온빔의 궤적과 전류값을 얻는데 장애요인으로 작용할 뿐만 아니라, 가속전극의 길이가 길어짐에 따라 고전압 존(zone)도 증가하여 이온빔 소스의 안정적 운용이 어렵게 되는 문제점이 있었다.In addition, since the high-voltage cable must be directly connected to the accelerating electrode in order to place the accelerating electrode inside a vacuum and apply a high voltage, a feed-through connector for high-voltage application must be used. However, if a feed-through connector for high-voltage application is used, it is difficult to apply the length of the accelerating electrode short in the direction of the length of the plasma chamber. As a result, the space under the plasma chamber must increase, and the overall length of the ion beam source becomes longer. This not only acts as an obstacle to obtaining the desired ion beam trajectory and current value, but as the length of the accelerating electrode increases, the high-voltage zone also increases, which causes a problem in that stable operation of the ion beam source becomes difficult.
또한 플라즈마 이온빔 소스는 가스만 주입하면 영구적으로 사용할 수 있는 기기가 아니라 플라즈마 챔버 내부의 오염 문제로 인하여, 이온빔 소스 분해 및 절연 물질을 제거하고 플라즈마 챔버 내부를 주기적으로 클리닝하거나 교체하여야 하는 등의 문제점이 있었다.In addition, the plasma ion beam source is not a device that can be used permanently by simply injecting gas, and there are problems such as the need to disassemble the ion beam source, remove the insulating material, and periodically clean or replace the inside of the plasma chamber due to contamination issues inside the plasma chamber.
따라서, 본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 패러데이 쉴드(faraday shield)를 설치하지 않은 채, 고전압을 인가하면서 RF 코일의 위치를 가속전극에 가깝게 위치시키더라도 절연이 파괴되지 않는 플라즈마 이온빔 소스를 제공하는데 있다.Accordingly, the purpose of the present invention is to solve the above-mentioned conventional problems, and to provide a plasma ion beam source in which insulation is not destroyed even when a high voltage is applied and the RF coil is positioned close to the accelerating electrode without installing a Faraday shield.
본 발명의 다른 목적은, 안정적인 플라즈마의 유지 및 일정한 양의 이온 방출이 가능하도록 전극의 형상 및 가스 주입 장치를 개선한 플라즈마 이온빔 소스를 제공하는데 있다.Another object of the present invention is to provide a plasma ion beam source having improved electrode shape and gas injection device to enable maintenance of stable plasma and emission of a constant amount of ions.
본 발명의 다른 목적은, 플라즈마 챔버의 내부를 클리닝 또는 교체해야 할 경우, 플라즈마 챔버 내·외벽 사이의 절연 물질을 제거하거나 이온빔 소스의 과도한 분해 과정 없이, 플라즈마 챔버 조립체를 모듈식으로 교체가 가능하도록 캡슐형으로 개선한 플라즈마 이온빔 소스를 제공하는데 있다.Another object of the present invention is to provide a plasma ion beam source improved in a capsule type so that the plasma chamber assembly can be replaced in a modular manner without removing the insulating material between the inner and outer walls of the plasma chamber or without excessive disassembly of the ion beam source when the interior of the plasma chamber needs to be cleaned or replaced.
또한 본 발명은 명시적으로 기재된 상기 목적 이외에도 본 발명의 구성으로부터 도출될 수 있는 기타 다른 목적도 포함한다.In addition to the above-mentioned purposes explicitly stated, the present invention also includes other purposes that can be derived from the composition of the present invention.
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 플라즈마 이온빔 소스는, 입구와 출구를 구비하고, 입구로 유입된 가스를 이용하여 플라즈마를 생성·유지할 수 있도록 내벽과 외벽을 구비한 플라즈마 챔버; 상기 플라즈마 챔버의 입구에 배치되고 절연 물질 유입구 및 절연 물질 유출구가 형성되는 입구 커버 전극; 입구 커버 홀더; 입구 홀더 마운트; 상기 입구 커버 전극에 장착되는 가스 주입 장치; 상기 플라즈마 챔버의 출구에 배치되는 출구 커버; 상기 출구 커버에 배치되는 가속전극; 상기 가속전극을 지지하는 가속전극 홀더;를 포함하는 캡슐형 플라즈마 챔버 조립체; 상기 가속전극 하측으로 일정 거리 이격되어 배치되는 익스트랙터(Extractor) 전극; 상기 플라즈마 챔버의 외벽 외부에 배치되어 RF 파워를 제공하는 RF 코일; 상기 플라즈마 챔버의 내·외벽 사이로 절연 물질을 순환시키는 절연 물질 순환수단;을 포함하여 구성된다.In order to achieve the above-described object of the present invention, a plasma ion beam source comprises a plasma chamber having an inlet and an outlet, and inner and outer walls for generating and maintaining plasma using gas introduced through the inlet; an inlet cover electrode disposed at the inlet of the plasma chamber and having an insulating material inlet and an insulating material outlet formed therein; an inlet cover holder; an inlet holder mount; a gas injection device mounted on the inlet cover electrode; an outlet cover disposed at the outlet of the plasma chamber; an accelerating electrode disposed on the outlet cover; and an accelerating electrode holder supporting the accelerating electrode; a capsule-shaped plasma chamber assembly including: an extractor electrode disposed at a predetermined distance below the accelerating electrode; an RF coil disposed outside the outer wall of the plasma chamber and providing RF power; and an insulating material circulation means for circulating an insulating material between the inner and outer walls of the plasma chamber.
전술한 특징에 따른 플라즈마 이온빔 소스는 플라즈마 챔버의 내벽 및 외벽이 유전체로 형성되며, 가속전극 및 입구 커버 전극이 금속제로 형성되고, 출구 커버가 세라믹제로 형성됨이 바람직하다.The plasma ion beam source according to the above-described features preferably has the inner and outer walls of the plasma chamber formed of a dielectric, the accelerating electrode and the inlet cover electrode formed of a metal, and the outlet cover formed of a ceramic.
전술한 특징에 따른 플라즈마 이온빔 소스는 30kV의 고전압이 입구 커버 전극에 인가됨이 바람직하다.According to the above-described characteristics, it is preferable that a high voltage of 30 kV is applied to the inlet cover electrode of the plasma ion beam source.
전술한 특징에 따른 플라즈마 이온빔 소스의 RF 코일은 플라즈마 챔버의 외벽 하단부에 배치됨이 바람직하다.It is preferable that the RF coil of the plasma ion beam source according to the above-described characteristics be placed at the lower part of the outer wall of the plasma chamber.
전술한 특징에 따른 플라즈마 이온빔 소스의 가속전극 및 입구 커버 전극의 플라즈마 노출 영역은 요철형으로 형성됨이 바람직하다.It is preferable that the plasma exposure area of the accelerating electrode and the entrance cover electrode of the plasma ion beam source according to the above-described characteristics be formed in an uneven shape.
전술한 특징에 따른 플라즈마 이온빔 소스의 가스 주입 장치에 체크 밸브 플러그가 적용됨이 바람직하다.It is preferable that a check valve plug be applied to the gas injection device of the plasma ion beam source according to the above-described characteristics.
본 발명은 패러데이 쉴드를 설치하지 않고, RF 코일의 위치를 가속전극에 가깝게 위치시킨 채 고전압을 인가하더라도 절연이 파괴되지 않아 플라즈마를 인출구 가까이에서 발생시킬 수 있으므로 시료를 짧은 시간 내에 가공할 수 있는 이온빔 제공이 가능한 효과가 있다.The present invention has the effect of providing an ion beam capable of processing a sample in a short period of time, since the insulation is not destroyed even when a high voltage is applied while positioning the RF coil close to the accelerating electrode without installing a Faraday shield, and plasma can be generated close to the outlet.
또한 본 발명은 진공 외부 노출형 가속전극과 진공 내부 배치형 가속전극의 장점을 모두 취할 수 있어서 많은 양의 이온빔을 제공함과 동시에 이온빔 소스의 안정적 운용이 가능한 효과가 있다.In addition, the present invention can take advantage of both the vacuum external exposure type accelerating electrode and the vacuum internal placement type accelerating electrode, thereby providing a large amount of ion beams and enabling stable operation of the ion beam source.
또한 본 발명은 전극의 형상이 개량되어 플라즈마의 안정적인 유지가 가능하므로, 일정한 양의 이온빔 제공이 가능한 효과가 있다.In addition, since the shape of the electrode of the present invention is improved to enable stable maintenance of plasma, there is an effect of being able to provide a constant amount of ion beam.
또한 본 발명은 가스 주입 장치에 체크 밸브 플러그가 적용되어, 가스 주입 장치를 통하여 공급되는 가스를 정밀하게 조절할 수 있을 뿐만 아니라, 플라즈마 챔버의 내부 공간이 가스 주입 장치 및 가스 공급 라인까지 확장되는 것을 방지할 수 있어서 플라즈마의 생성 영역을 플라즈마 챔버의 내부 공간만으로 한정할 수 있고, 진공 흡입 효율의 감소를 방지할 수 있는 효과가 있다.In addition, the present invention applies a check valve plug to a gas injection device, so that not only can the gas supplied through the gas injection device be precisely controlled, but also the internal space of the plasma chamber can be prevented from expanding to the gas injection device and the gas supply line, so that the plasma generation area can be limited to only the internal space of the plasma chamber, and there is an effect of preventing a decrease in vacuum suction efficiency.
또한 본 발명은 플라즈마 이온빔 소스의 플라즈마 챔버 조립체가 캡슐형으로 제작되어 상기 캡슐형으로 제작된 플라즈마 챔버 조립체를 이온빔 소스 베이스 플레이트에 모듈식으로 교체가 가능하므로 유지 보수가 용이한 효과가 있다.In addition, the present invention has the effect of facilitating maintenance since the plasma chamber assembly of the plasma ion beam source is manufactured in a capsule shape and the plasma chamber assembly manufactured in a capsule shape can be modularly replaced on the ion beam source base plate.
도 1은 종래의 ICP 이온빔 소스를 도시한 모식도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 ICP 이온빔 소스를 도시한 개념도이다.
도 3은 RF 코일의 배치에 따른 빔 강도를 설명하기 위한 개념도이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이온빔 소스에 있어서, 체크 밸브 플러그가 적용된 가스 주입 장치의 개념도이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이온빔 소스에 있어서, 플라즈마 챔버 내·외벽 사이 공간으로 순환하는 절연 물질의 순환을 설명하기 위한 개념도이다.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이온빔 소스에 있어서, 가속전극의 사시도 및 단면도이다.
도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이온빔 소스에 있어서, 입구 커버 전극 및 가속전극의 단면도이다.
도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이온빔 소스에 있어서, 입자의 발생을 설명하기 위한 개념도이다.
도 9는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이온빔 소스에 있어서, 가속전극의 캡형 구조를 보이기 위한 단면도이다.
도 10은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이온빔 소스에 있어서, 이중관형 플라즈마 챔버의 입구 및 출구 구성을 도시한 개념도이다.
도 11은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이온빔 소스에 있어서, 기밀 유지를 위한 O링 배치 상황을 설명하기 위한 개념도이다.
도 12는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이온빔 소스에 있어서, 플라즈마 챔버의 출구 측에 배치된 가속전극 및 익스트랙터 전극의 개념도이다.
도 13은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이온빔 소스에 있어서, 캡슐형 플라즈마 챔버 조립체의 플라즈마 챔버와 가속전극의 결합 상태를 설명하기 위한 개념도이다.
도 14는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이온빔 소스에 있어서, 캡슐형 플라즈마 챔버 조립체의 교체를 설명하기 위한 개념도이다.
Figure 1 is a schematic diagram illustrating a conventional ICP ion beam source.
FIG. 2 is a conceptual diagram illustrating an ICP ion beam source according to a preferred embodiment of the present invention.
Figure 3 is a conceptual diagram explaining beam intensity according to the arrangement of RF coils.
FIG. 4 is a conceptual diagram of a gas injection device to which a check valve plug is applied in an ion beam source according to a preferred embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a conceptual diagram for explaining the circulation of an insulating material circulating in the space between the inner and outer walls of a plasma chamber in an ion beam source according to a preferred embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a perspective view and a cross-sectional view of an accelerating electrode in an ion beam source according to a preferred embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a cross-sectional view of an entrance cover electrode and an accelerating electrode in an ion beam source according to a preferred embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a conceptual diagram for explaining the generation of particles in an ion beam source according to a preferred embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a cross-sectional view showing the cap-shaped structure of the accelerating electrode in an ion beam source according to a preferred embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a conceptual diagram illustrating the inlet and outlet configurations of a double-tube plasma chamber in an ion beam source according to a preferred embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a conceptual diagram for explaining the arrangement of an O-ring for maintaining confidentiality in an ion beam source according to a preferred embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a conceptual diagram of an accelerating electrode and an extractor electrode arranged on the exit side of a plasma chamber in an ion beam source according to a preferred embodiment of the present invention.
FIG. 13 is a conceptual diagram for explaining the coupling state of a plasma chamber and an accelerating electrode of a capsule-type plasma chamber assembly in an ion beam source according to a preferred embodiment of the present invention.
FIG. 14 is a conceptual diagram for explaining replacement of a capsule-type plasma chamber assembly in an ion beam source according to a preferred embodiment of the present invention.
상기한 본 발명의 목적은 플라즈마 이온빔 소스의 플라즈마 챔버 조립체를 내벽과 외벽이 구비된 이중관형 챔버로 형성하고, 상기 내벽과 외벽 사이에 절연 물질을 순환시키며, 플라즈마 챔버에 고주파(RF) 파워를 제공하는 RF 코일을 플라즈마 챔버의 외벽 하부에 배치하고, 플라즈마 챔버의 출구측 내부에 가속전극을 배치한 채 30kV의 고전압을 입구 커버 전극에 인가시킴으로써 달성될 수 있다.The above-described object of the present invention can be achieved by forming a plasma chamber assembly of a plasma ion beam source as a double-tubular chamber having an inner wall and an outer wall, circulating an insulating material between the inner wall and the outer wall, arranging an RF coil that provides radio frequency (RF) power to the plasma chamber at the lower part of the outer wall of the plasma chamber, and arranging an accelerating electrode inside the outlet side of the plasma chamber and applying a high voltage of 30 kV to an inlet cover electrode.
이하에서는 본 발명의 목적을 달성하기 위한 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments for achieving the purpose of the present invention will be described with reference to the attached drawings.
그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.However, the present invention can be implemented in various different forms, and therefore is not limited to the embodiments described herein. In addition, in order to clearly describe the present invention in the drawings, parts that are not related to the description are omitted, and similar parts are given similar drawing reference numerals throughout the specification.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다. 본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.Throughout the specification, when a part is said to be "connected (connected, contacted, coupled)" to another part, this includes not only the case where it is "directly connected" but also the case where it is "indirectly connected" with another member in between. Also, when a part is said to "include" a certain component, this does not mean that other components are excluded unless specifically stated to the contrary, but that other components may be additionally provided. The terms used in this specification are used only to describe specific embodiments and are not intended to limit the present invention. The singular expression includes the plural expression unless the context clearly indicates otherwise. In this specification, the terms "include" or "have" are intended to specify that a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification exists, but should be understood to not preclude the possibility of the presence or addition of one or more other features, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플라즈마 소스를 도시한 개념도이며, 도 3은 RF 코일의 배치에 따른 빔 강도를 설명하기 위한 개념도이다.FIG. 2 is a conceptual diagram illustrating a plasma source according to a preferred embodiment of the present invention, and FIG. 3 is a conceptual diagram explaining beam intensity according to the arrangement of RF coils.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 플라즈마 이온빔 소스는 유전체로 이루어진 내벽(11)과 외벽(12)을 포함하는 플라즈마 챔버와, 플라즈마 챔버의 입구(30)에 배치되는 입구 커버 전극(21)과, 입구 커버 홀더(31), 입구 홀더 마운트(33), 상기 입구 커버 전극(21)에 장착되는 가스 주입 장치(32)와, 플라즈마 챔버의 출구(50)에 배치되는 출구 커버(51)와, 상기 출구 커버(51)에 배치되는 가속전극, 상기 가속전극을 지지하는 가속전극 홀더(52)를 포함하는 캡슐형 플라즈마 챔버 조립체(5), 상기 가속전극의 하측으로 일정 거리 이격되어 배치되는 익스트랙터(Extractor) 전극, 상기 챔버 외부에 배치되는 RF 코일(41), 상기 플라즈마 챔버의 내·외벽(11, 12) 사이 공간(13)으로 절연 물질을 순환시키는 절연 물질 순환수단(미도시)을 포함하여 구성됨이 바람직하다.Referring to FIGS. 2 and 3, the plasma ion beam source according to the present invention is preferably configured to include a capsule-shaped plasma chamber assembly (5) including a plasma chamber including an inner wall (11) and an outer wall (12) made of a dielectric, an inlet cover electrode (21) disposed at an inlet (30) of the plasma chamber, an inlet cover holder (31), an inlet holder mount (33), a gas injection device (32) mounted on the inlet cover electrode (21), an outlet cover (51) disposed at an outlet (50) of the plasma chamber, an accelerating electrode disposed on the outlet cover (51), and an accelerating electrode holder (52) supporting the accelerating electrode, an extractor electrode disposed at a predetermined distance below the accelerating electrode, an RF coil (41) disposed outside the chamber, and an insulating material circulation means (not shown) for circulating an insulating material into a space (13) between the inner and outer walls (11, 12) of the plasma chamber.
상기 플라즈마 챔버는 전체적으로 쿼츠 등의 유전체로 형성되되, 내벽(11)과 외벽(12)은 서로 일정 거리 이격 배치되며, 상기 플라즈마 챔버의 내벽(11) 내부 공간에 가스 주입 장치(32)로부터 가스가 공급되어 플라즈마가 생성되고, 상기 내벽(11)과 외벽(12) 사이 공간(13)에 절연 물질 순환 수단(미도시)으로부터 공급된 절연 물질이 순환하면서 상기 플라즈마 챔버를 외부로부터 절연시키도록 구성됨이 바람직하다.The plasma chamber is preferably formed entirely of a dielectric such as quartz, and the inner wall (11) and the outer wall (12) are arranged at a certain distance from each other, and gas is supplied from a gas injection device (32) to the space inside the inner wall (11) of the plasma chamber to generate plasma, and an insulating material supplied from an insulating material circulation means (not shown) is circulated in the space (13) between the inner wall (11) and the outer wall (12) to insulate the plasma chamber from the outside.
한편 상기 플라즈마 챔버의 입구(30)를 폐쇄할 수 있도록 입구 커버 전극(21)이 플라즈마 챔버의 입구(30)에 배치되는데 상기 입구 커버 전극(21)에는, 절연 물질 유입구(34) 및 절연 물질 유출구(35)가 형성되고, 가스 주입 장치(32)가 장착된다.Meanwhile, an inlet cover electrode (21) is placed at the inlet (30) of the plasma chamber so as to close the inlet (30) of the plasma chamber. An insulating material inlet (34) and an insulating material outlet (35) are formed at the inlet cover electrode (21), and a gas injection device (32) is mounted thereon.
상기 플라즈마 챔버의 입구(30)에 배치되는 입구 커버 전극(21)은 금속제로 형성되고 30kV의 고전압이 직접 인가될 수 있도록 그 일부가 외부로 노출될 수 있다. 이와 같이 입구 커버 전극(21)을 금속제로 형성하여 고전압을 인가하는 이유에 대하여 살펴본다.The inlet cover electrode (21) placed at the inlet (30) of the plasma chamber is formed of metal and a portion thereof may be exposed to the outside so that a high voltage of 30 kV may be directly applied. The reason why the inlet cover electrode (21) is formed of metal and a high voltage is applied in this way will be examined.
기존의 플라즈마 이온빔 소스는 시료를 짧은 시간 내에 가공할 수 있도록 플라즈마 챔버에서 생성된 이온을 큰 전위차로 가속시키기 위하여 가속전극에 고전압을 인가하게 되는데, 가속전극이 진공 외부로 노출된 상태에서 고전압이 인가되면 대기압 환경에서 RF 코일과 가속전극 사이에 전기적인 용량 겹합이 증가하게 되어 절연파괴의 문제를 피할 수 없었는바, 이러한 문제점을 피하려면 가속전극을 진공 내부에 넣은 상태에서 고전압을 인가하여야 하는데 이 경우에는 고전압 케이블을 가속전극에 직접 접속시켜야 하기 때문에, 고전압 인가용 피드스루(Feedthru) 커넥터를 사용하여야만 한다. 이때 고전압 인가용 피드스루 커넥터를 사용하면 가속전극의 길이를 플라즈마 챔버의 길이 방향으로 짧게 만들기 어려워서 결국, 플라즈마 챔버 하부의 공간이 늘어나야 하고, 이에 따라 이온빔 소스의 전체 길이가 길어져서, 목적하는 이온빔의 궤적과 전류값을 얻는데 장애요인으로 작용할 뿐만 아니라, 가속전극의 길이가 길어짐에 따라 고전압 존(zone)도 증가하여 이온빔 소스의 안정적 운용이 어렵게 되는 문제점이 발생하게 된다.Conventional plasma ion beam sources apply high voltage to the accelerating electrode to accelerate ions generated in the plasma chamber with a large potential difference so that the sample can be processed in a short period of time. However, if the high voltage is applied while the accelerating electrode is exposed to the outside of the vacuum, the electrical capacitance overlap between the RF coil and the accelerating electrode in the atmospheric pressure environment increases, which makes it impossible to avoid the problem of insulation breakdown. To avoid this problem, the high voltage must be applied while the accelerating electrode is placed inside a vacuum. In this case, the high voltage cable must be directly connected to the accelerating electrode, and therefore, a feedthru connector for high voltage application must be used. At this time, if a feed-through connector for high voltage application is used, it is difficult to shorten the length of the accelerating electrode in the direction of the length of the plasma chamber, so that the space at the bottom of the plasma chamber must increase, and accordingly, the overall length of the ion beam source becomes longer, which not only acts as an obstacle to obtaining the desired ion beam trajectory and current value, but also causes a problem in that the stable operation of the ion beam source becomes difficult because the high voltage zone also increases as the length of the accelerating electrode becomes longer.
이와 더불어 기존의 플라즈마 이온빔 소스는 시료를 짧은 시간 내에 가공할 수 있도록 많은 양의 이온빔을 발생시키려면, 플라즈마를 인출구 가까이에서 발생시킬 수 있도록 RF 코일(41)의 위치를 가속전극에 가깝게 배치하여야 하는데, 이와 같이 RF 코일(41)의 위치를 가속전극에 가깝게 배치하면, 가속전극을 진공 내부에 위치시키더라도 30kV 정도의 고전압이 인가될 경우 고전압 존(zone)이 RF 코일(41)에 의한 전자기장 존(zone)과 중첩되어 전기적인 용량 결합이 증가하게 되고 주변 불안정과 함께 절연이 파괴되기 때문에 RF 코일(41)의 위치를 가속전극에 가깝게 배치할 수 없었다.In addition, in order to generate a large amount of ion beams to process a sample in a short period of time, the existing plasma ion beam source must place the RF coil (41) close to the accelerating electrode so that the plasma can be generated near the outlet. However, if the RF coil (41) is placed close to the accelerating electrode in this way, even if the accelerating electrode is placed inside a vacuum, when a high voltage of about 30 kV is applied, the high voltage zone overlaps with the electromagnetic field zone caused by the RF coil (41), which increases electrical capacitive coupling and causes insulation breakdown along with peripheral instability. Therefore, the RF coil (41) cannot be placed close to the accelerating electrode.
상술한 문제점과 관련하여 본 발명에서는, 기존의 플라즈마 이온빔 소스가 30kV의 고전압을 가속전극에 인가하는 것과는 다르게, 30kV의 고전압을 입구 커버 전극(21)에 인가함으로써 상기 문제점을 해결하였다. 이때 본 발명의 플라즈마 이온빔 소스는 내·외벽(11, 12)을 가진 이중관형 챔버로 형성되어, 상기 이중관형 챔버의 내·외벽(11, 12) 사이 공간(13)으로 절연 물질이 순환되므로 절연파괴의 문제점이 극복되고, 30kV의 고전압이 주위에 전위차를 일으킬 요소가 없으면서, 외부로 노출된 입구 커버 전극(21)에 직접 인가되므로 고전압 인가용 피드스루 커넥터를 사용하지 않아도 되는 것이다.In relation to the above-described problem, the present invention solves the problem by applying a high voltage of 30 kV to the inlet cover electrode (21), unlike the existing plasma ion beam source that applies a high voltage of 30 kV to the accelerating electrode. At this time, the plasma ion beam source of the present invention is formed as a double-tubular chamber having inner and outer walls (11, 12), so that an insulating material circulates in the space (13) between the inner and outer walls (11, 12) of the double-tubular chamber, thereby overcoming the problem of insulation breakdown, and since the high voltage of 30 kV is directly applied to the inlet cover electrode (21) exposed to the outside without any element that would cause a potential difference in the surrounding area, a feed-through connector for applying a high voltage does not need to be used.
이와 더불어 고전압이 인가되는 전극이, 기존 이온 빔 소스의 가속전극이 아닌, 입구 커버 전극(21)이어서 RF 코일(41)을 플라즈마 챔버의 하부에 배치하더라도 고전압 존(zone)과 RF 코일(41)에 의한 전자기장 존(zone)과의 중첩 문제를 절연층이 해결하여 플라즈마를 인출구 근처에서 발생시킬 수 있으므로 시료를 짧은 시간 내에 가공할 수 있는 많은 양의 이온을 방출시켜 큰 전위차로 가속시킬 수 있게 된다.In addition, since the electrode to which the high voltage is applied is not the accelerating electrode of a conventional ion beam source but the entrance cover electrode (21), even if the RF coil (41) is placed at the bottom of the plasma chamber, the problem of overlapping between the high voltage zone and the electromagnetic field zone caused by the RF coil (41) is solved by the insulating layer, so that the plasma can be generated near the outlet, thereby releasing a large amount of ions that can process the sample in a short period of time and accelerating it with a large potential difference.
위와 같이 입구 커버 전극(21)에 고전압을 인가하더라도 이온이 큰 전위차로 가속될 수 있는 이유는 다음과 같이 설명될 수 있다. 외부로 노출된 입구 커버 전극(21)에 30kV의 고전압이 인가되더라도 가스가 주입되거나 플라즈마가 생성되지 않은 상태에서 플라즈마 챔버의 출구(50) 측에 배치된 가속전극은, 세라믹과 같은 절연 소재로 형성된, 하부 커버에 배치되어 있기 때문에, 전압이 걸리지 않은 상태, 즉 0kV 상태에 있게 되므로 입구 커버 전극(21) 및 가속전극 모두 이온을 가속시키는 기능을 수행할 수 없다.The reason why ions can be accelerated with a large potential difference even when a high voltage is applied to the inlet cover electrode (21) as described above can be explained as follows. Even when a high voltage of 30 kV is applied to the inlet cover electrode (21) exposed to the outside, the acceleration electrode positioned on the outlet (50) side of the plasma chamber in a state where gas is not injected or plasma is not generated is positioned on the lower cover formed of an insulating material such as ceramic, so that no voltage is applied, i.e., it is in a 0 kV state, and therefore neither the inlet cover electrode (21) nor the acceleration electrode can perform the function of accelerating ions.
그러나 플라즈마 챔버에 가스를 주입하면서, 플라즈마 발생에 필요한 진공 조건을 맞춘 후 RF 파워를 인가하면 플라즈마가 발생하게 되는데, 이와 같이 플라즈마가 발생한 상태에서 입구 커버 전극(21)에 30kV의 고전압을 인가하면 가속전극을 의도적으로 고전압에 전기적으로 연결시키지 않더라도, 상기 입구 커버 전극(21)과 상기 가속전극 사이의 플라즈마 확산으로 인한 전기적 상호작용에 의해, 상기 가속전극은 상기 입구 커버 전극(21)에 인가된 30kV의 고전압과 거의 동일한 전위, 즉 29.98kV 정도의 전위로 되므로, 상기 가속전극에 고전압을 직접 인가된 상태와 비슷하게 이온을 가속시킬 수 있게 되어 기존의 이온빔 소스에 발생하는 문제점을 해결할 수 있게 되는 것이다.However, when gas is injected into the plasma chamber and the vacuum conditions necessary for plasma generation are met and RF power is applied, plasma is generated. In this state where plasma is generated, if a high voltage of 30 kV is applied to the inlet cover electrode (21), even if the accelerating electrode is not intentionally electrically connected to the high voltage, due to the electrical interaction caused by plasma diffusion between the inlet cover electrode (21) and the accelerating electrode, the accelerating electrode becomes almost at the same potential as the high voltage of 30 kV applied to the inlet cover electrode (21), that is, at about 29.98 kV, so that ions can be accelerated in a similar manner to a state where a high voltage is directly applied to the accelerating electrode, thereby solving a problem occurring in the existing ion beam source.
또한 상술한 바와 같이 본 발명의 플라즈마 이온빔 소스에는 플라즈마를 이온빔의 인출구 가까이에서 발생시킬 수 있도록 RF 코일(41)이 플라즈마 챔버의 하부에 배치될 수 있다.In addition, as described above, in the plasma ion beam source of the present invention, an RF coil (41) may be placed at the bottom of the plasma chamber so as to generate plasma near the ion beam outlet.
도 3에 도시된 바와 같이, RF 코일(41)은 플라즈마 챔버의 상부, 중간, 하부에 배치될 수 있는데, RF 코일(41)의 배치 위치에 따라 방출되는 이온빔의 밀도가 달라질 수 있는바, RF 코일(41)의 배치 위치가 하부로 내려올수록 밀도가 높은 이온빔이 방출될 수 있다, 그러므로 동일한 RF 파워가 플라즈마 챔버에 인가되더라도 RF 코일(41)의 위치를 하부에 배치하게 되면 방출되는 이온빔의 밀도가 높아져 짧은 시간 내에 시료를 가공할 수 있게 된다.As illustrated in FIG. 3, the RF coil (41) can be placed at the top, middle, and bottom of the plasma chamber. Depending on the placement position of the RF coil (41), the density of the emitted ion beam can vary. As the placement position of the RF coil (41) goes lower, a higher density ion beam can be emitted. Therefore, even if the same RF power is applied to the plasma chamber, if the RF coil (41) is placed lower, the density of the emitted ion beam increases, allowing the sample to be processed in a short period of time.
그러나 위와 같이 이온빔의 밀도를 높이기 위하여 기존 이온빔 소스의 플라즈마 챔버에 RF 코일(41)의 위치만 하부로 내려 배치하게 되면 고전압 상태의 가속전극에 의한 고전압 존(zone)에, RF 코일(41)에 의한 전자기장 존(zone)이 간섭하게 되어 이온빔의 밀도를 높이는데 한계가 따르지만, 본 발명에서는 플라즈마 챔버의 내·외벽(11, 12) 사이 공간(13)으로 절연 물질이 순환되며 절연 상태를 유지할 수 있으므로 RF 코일(41)의 위치를 하부로 내려 배치함으로써 이온빔의 밀도를 높일 수 있다.However, in order to increase the density of the ion beam as described above, if only the RF coil (41) is positioned lower in the plasma chamber of the existing ion beam source, the electromagnetic field zone caused by the RF coil (41) interferes with the high voltage zone caused by the high voltage accelerating electrode, which limits the ability to increase the density of the ion beam. However, in the present invention, since an insulating material is circulated in the space (13) between the inner and outer walls (11, 12) of the plasma chamber and the insulating state can be maintained, the density of the ion beam can be increased by positioning the RF coil (41) lower.
또한 ICP 이온빔 소스의 플라즈마 챔버 외부에 RF 코일(41)이 배치되어 상기 RF 코일(41)에 전류가 흐르면, 코일에 흐르는 전류에 의해 자기장이 형성되고, 자기장으로부터 유도 전기장이 형성되면서 유도 전기장에 의해 플라즈마 챔버 내의 입자가 진동 및 충돌함으로써 플라즈마를 형성하게 되므로, 플라즈마와 RF 코일(41) 사이에 존재하는 유전체가 스퍼터링 현상에 의하여 손상을 입게 되고 시간이 경과하면서 플라즈마 챔버 내의 오염도를 촉진하게 되지만, 본 발명에서는 상술한 바와 같이 플라즈마 이온빔 소스의 플라즈마 챔버를 내벽과 외벽이 구비된 이중관형 챔버로 형성하고, 상기 내벽과 외벽 사이에 절연 물질을 순환시키며, RF 코일을 플라즈마 챔버의 외벽 바깥에 적용한바, 상기 RF 코일이 플라즈마가 생성 및 유지되는 플라즈마 챔버의 내벽과 근접하지 않고 최적의 거리를 유지하는 구조로 형성되어 있으므로 플라즈마 챔버의 내벽에 self bias charging effect를 감소시킬 수 있다. 이는 플라즈마 챔버의 내벽과 RF 코일 간의 전기적인 용량 결합을 축소시키며, 유전체가 스퍼터링 현상에 의해 입게 되는 손상이 줄어들어 플라즈마 챔버 내의 오염도를 감소시키는 효과를 얻을 수 있다. 전기적인 용량 결합을 감소시키는 방안으로, 접지 된 슬릿 패턴 원통형 금속체인 페러데이 쉴드를 RF 코일과 유전체 사이에 적용하기도 하지만, 페러데이 쉴드를 적용하게 되면 기존 입력 에너지의 손실이 발생하기 때문에 더 큰 RF 파워를 인가해서 보상해야 하는 점, 그로 인해 전자기장 존(zone)이 더 증가하고 주변 기기들에도 영향을 미칠 수 있는 점 등의 문제점이 있으나, 본 발명은 플라즈마 챔버가 내벽과 외벽의 이중관형 챔버로 형성되고 그 내부에 절연 물질이 순환되는 구조로 형성되어 플라즈마 챔버의 내벽과 RF 코일과의 거리가 충분히 멀고 그 사이가 확실하게 절연되어 있어서, 페러데이 쉴드 없이 전기적인 용량 결합 축소 및 구조 간소화가 가능하다.In addition, since an RF coil (41) is arranged outside the plasma chamber of the ICP ion beam source and a current flows through the RF coil (41), a magnetic field is formed by the current flowing through the coil, and an induced electric field is formed from the magnetic field, and particles inside the plasma chamber vibrate and collide due to the induced electric field to form plasma, so that the dielectric existing between the plasma and the RF coil (41) is damaged by the sputtering phenomenon and the contamination inside the plasma chamber is promoted over time. However, in the present invention, as described above, the plasma chamber of the plasma ion beam source is formed as a double-tubular chamber having an inner wall and an outer wall, an insulating material is circulated between the inner wall and the outer wall, and the RF coil is applied to the outside of the outer wall of the plasma chamber. Therefore, since the RF coil is formed in a structure in which it does not come close to the inner wall of the plasma chamber where plasma is generated and maintained and maintains an optimal distance, the self-bias charging effect on the inner wall of the plasma chamber can be reduced. This reduces the electrical capacitive coupling between the inner wall of the plasma chamber and the RF coil, and reduces the damage to the dielectric caused by sputtering, thereby reducing the level of contamination within the plasma chamber. As a means of reducing the electrical capacitive coupling, a Faraday shield, which is a grounded slit-patterned cylindrical metal body, is applied between the RF coil and the dielectric, but when the Faraday shield is applied, there are problems such as a loss of existing input energy occurring, so that a greater RF power must be applied to compensate, and thus the electromagnetic field zone increases further, which may affect peripheral devices. However, in the present invention, the plasma chamber is formed as a double-tube chamber with an inner wall and an outer wall, and an insulating material is circulated inside the chamber, so that the distance between the inner wall of the plasma chamber and the RF coil is sufficiently far and the space between them is reliably insulated, so that the electrical capacitive coupling can be reduced and the structure simplified without the Faraday shield.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이온빔 소스에 있어서, 체크 밸브 플러그가 적용된 가스 주입 장치의 개념도이다.FIG. 4 is a conceptual diagram of a gas injection device to which a check valve plug is applied in an ion beam source according to a preferred embodiment of the present invention.
도 4를 참조하면, 플라즈마 생성에 필요한 가스는 입구 커버 전극(21)에 장착된 가스 주입 장치(32)를 통해 공급된다. 이때 상기 가스 주입 장치(32)의 가스 주입구(36)에는, 체크 밸브 플러그 조립체(37)의 구성품인 체크 밸브 플러그(38)가 적용된다.Referring to Fig. 4, the gas required for plasma generation is supplied through a gas injection device (32) mounted on the inlet cover electrode (21). At this time, a check valve plug (38), which is a component of a check valve plug assembly (37), is applied to the gas injection port (36) of the gas injection device (32).
상기 체크 밸브 플러그 조립체(37)를 구성하는 체크 밸브 플러그(38)는 가스의 역류를 방지하기 위한 목적보다는 플라즈마 챔버의 내부 공간을 가스 주입 장치(32)로부터 완전히 분리하기 위한 목적으로 적용된다. 이를 좀 더 구체적으로 설명하면, 이온빔 생성에 필요한 플라즈마 챔버 내부는 10-2Torr 정도의 진공 상태가 유지되어야 하는바, 상기한 진공 상태를 만들기 위하여 후술될 가속전극의 빔 인출구를 통해 플라즈마 내부 공간의 압력을 배기시키게 되므로 플라즈마 챔버의 내부 공간이 명확하게 구분될수록 플라즈마의 생성 및 유지조건의 기준이 되는 진공도의 수치를 정확하게 표현하는 것이 가능해진다.The check valve plug (38) constituting the above check valve plug assembly (37) is applied for the purpose of completely separating the internal space of the plasma chamber from the gas injection device (32) rather than for the purpose of preventing the backflow of gas. To explain this in more detail, the inside of the plasma chamber required for generating an ion beam must be maintained in a vacuum state of about 10-2 Torr, and in order to create the above vacuum state, the pressure of the internal space of the plasma is exhausted through the beam outlet of the accelerating electrode described later. Therefore, the more clearly the internal space of the plasma chamber is divided, the more accurately it is possible to express the vacuum degree value, which is the standard for the conditions for generating and maintaining plasma.
그럼에도 기존의 플라즈마 이온빔 소스는 플라즈마 챔버 내부로 가스를 공급하는 가스 주입 장치(32)의 가스 주입구(36)가 구멍이 한 개 또는 여러 개가 뚫린 구조로 형성될 뿐 아니라, 상기 가스 주입 장치(32)로부터 플라즈마 챔버의 내부 공간을 분리시키는 수단이 없어서 플라즈마 챔버 내부 공간이 가스 주입 장치(32)와 가스 공급 라인까지 쉽게 확장되게 되어 플라즈마 챔버의 내부 공간이 확장된 것과 같은 결과를 초래한다. 즉 기존의 플라즈마 이온빔 소스는 이온빔 생성에 중대한 효과를 미치는 플라즈마 챔버의 내부 공간이 가스 주입 장치(32)와 가스 공급 라인까지 확장되어 진공 흡입 효율이 낮아지고 플라즈마의 생성 영역을 플라즈마 챔버의 내부 공간만으로 한정할 수 없는바, 본 발명은 이러한 문제점을 해결할 수 있도록 플라즈마 챔버의 내부 공간과 가스 주입 장치(32)를 분리시킬 수 있는 체크 밸브 플러그(38)를 적용한 것이다.However, in the case of the existing plasma ion beam source, not only is the gas injection port (36) of the gas injection device (32) that supplies gas into the inside of the plasma chamber formed in a structure having one or more holes, but also there is no means for separating the internal space of the plasma chamber from the gas injection device (32), so that the internal space of the plasma chamber easily expands to the gas injection device (32) and the gas supply line, resulting in the same result as the internal space of the plasma chamber expanding. In other words, in the case of the existing plasma ion beam source, the internal space of the plasma chamber, which has a significant effect on the generation of the ion beam, expands to the gas injection device (32) and the gas supply line, which lowers the vacuum suction efficiency and makes it impossible to limit the plasma generation area to only the internal space of the plasma chamber. In order to solve this problem, the present invention applies a check valve plug (38) that can separate the internal space of the plasma chamber from the gas injection device (32).
상기 체크 밸브 플러그 조립체(37)는 가스 주입 장치(32)에 설치되는 조립체로서, 가스 주입구(36) 내부로 쉽게 삽입되어 가스를 씰링할 수 있도록 선단이 원뿔형으로 형성된 체크 밸브 플러그(38)와, 상기 체크 밸브 플러그(38)를 탄성 지지 가능하도록 상기 체크 밸브 플러그(38) 하부에 배치되는 스프링(39)과, 상기 스프링의 탄성력을 조절할 수 있는 무두 볼트(40)를 포함하여 구성된다. 상기 체크 밸브 플러그 조립체(37)에서 상기 무두 볼트(40)는 상기 스프링(39)의 하부에 배치되어 좌우로 회전하면서 상기 스프링(39)의 길이 조절을 통해 상기 스프링(39)의 탄성력을 조절하고, 상기 스프링(39)은 탄성력에 의해 상부에 설치된 체크 밸브 플러그(38)를 가압함으로써 가스 주입구(36)를 통해 플라즈마 챔버 내부로 공급되는 가스 공급 압력을 적합하게 조절할 수 있도록 한다.The above check valve plug assembly (37) is an assembly installed in a gas injection device (32), and is configured to include a check valve plug (38) having a conical tip so that it can be easily inserted into a gas injection port (36) to seal gas, a spring (39) arranged below the check valve plug (38) so that the check valve plug (38) can be elastically supported, and a headless bolt (40) that can adjust the elasticity of the spring. In the check valve plug assembly (37), the headless bolt (40) is arranged below the spring (39) and rotates left and right to adjust the elasticity of the spring (39) by adjusting the length of the spring (39), and the spring (39) pressurizes the check valve plug (38) installed above by the elasticity, thereby suitably adjusting the gas supply pressure supplied into the plasma chamber through the gas injection port (36).
상기한 구조의 체크 밸브 조립체(37)를 가스 주입 장치(32)에 장착한 후, 무두 볼트(40)를 회전시켜 스프링(39)의 작용 압력을 조절함으로써, 가스 주입구(36)를 통하여 공급되는 가스를 0.1 sccm(standard cubic centimeter per minute) 이하의 정밀도로 조절하면서 공급할 수 있으며, 상술한 바와 같이 플라즈마 챔버의 내부 공간이 가스 주입 장치(32) 및 가스 공급 라인까지 확장되는 것이 방지될 수 있어서, 플라즈마의 생성 영역을 플라즈마 챔버의 내부 공간만으로 한정할 수 있고, 진공 흡입 효율이 떨어지는 문제점도 방지할 수 있게 된다.After the check valve assembly (37) of the above-described structure is mounted on the gas injection device (32), the head bolt (40) is rotated to adjust the operating pressure of the spring (39), so that the gas supplied through the gas injection port (36) can be supplied with a precision of 0.1 sccm (standard cubic centimeter per minute) or less, and as described above, the internal space of the plasma chamber can be prevented from expanding to the gas injection device (32) and the gas supply line, so that the plasma generation area can be limited to only the internal space of the plasma chamber, and the problem of reduced vacuum suction efficiency can also be prevented.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이온빔 소스에 있어서, 플라즈마 챔버 내·외벽 사이 공간으로 순환하는 절연 물질의 순환을 설명하기 위한 개념도이고, 도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이온빔 소스에 있어서, 가속전극의 사시도 및 단면도이며, 도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이온빔 소스에 있어서, 입구 커버 전극 및 가속전극의 단면도이고, 도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이온빔 소스에 있어서, 입자의 발생을 설명하기 위한 개념도이며, 도 9는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이온빔 소스에 있어서, 가속전극의 캡형 구조를 보이기 위한 단면도이다.FIG. 5 is a conceptual diagram illustrating the circulation of an insulating material circulating in the space between the inner and outer walls of a plasma chamber in an ion beam source according to a preferred embodiment of the present invention, FIG. 6 is a perspective view and a cross-sectional view of an accelerating electrode in an ion beam source according to a preferred embodiment of the present invention, FIG. 7 is a cross-sectional view of an entrance cover electrode and an accelerating electrode in an ion beam source according to a preferred embodiment of the present invention, FIG. 8 is a conceptual diagram illustrating the generation of particles in an ion beam source according to a preferred embodiment of the present invention, and FIG. 9 is a cross-sectional view showing a cap-shaped structure of an accelerating electrode in an ion beam source according to a preferred embodiment of the present invention.
도 5를 참조하면, 플라즈마 챔버의 입구(30)에 배치되는 입구 커버 전극(21)에는 절연 물질 유입구(34)와 절연 물질 유출구(35)가 형성되어 플라즈마 챔버의 내·외벽(11, 12) 사이 공간(13)으로 절연 물질을 순환시킬 수 있다. 절연 물질을 순환시키는 이유는, 플라즈마 발생으로 인한 열이 플라즈마 챔버의 내벽을 통하여 지속적으로 절연 물질에 가해지면 절연 물질의 기능에 영향을 미칠 수 있는 바, 절연 물질을 순환시킴으로써 열에 지속적으로 노출되는 문제를 해결하기 위함이다.Referring to FIG. 5, an insulating material inlet (34) and an insulating material outlet (35) are formed in an inlet cover electrode (21) disposed at an inlet (30) of a plasma chamber, so that the insulating material can be circulated into a space (13) between the inner and outer walls (11, 12) of the plasma chamber. The reason for circulating the insulating material is that if heat caused by plasma generation is continuously applied to the insulating material through the inner wall of the plasma chamber, the function of the insulating material can be affected, and thus, by circulating the insulating material, the problem of continuous exposure to heat can be solved.
상기 절연 물질로는 물보다 비중이 큰 절연유가 사용되는데, 이러한 절연유는 비중이 커서 상기 절연 물질 유입구(34)를 통해 저속으로 주입되더라도 플라즈마 챔버의 내·외벽(11, 12) 사이 공간(13)의 하부까지 쉽게 하강하면서, 상기 절연 물질 유출구(35) 부근의 절연유를 밀어 올려 절연유가 순환할 수 있도록 한다.As the insulating material, insulating oil having a specific gravity greater than that of water is used. Since this insulating oil has a specific gravity greater than that of water, even when injected at a low speed through the insulating material inlet (34), it easily descends to the lower part of the space (13) between the inner and outer walls (11, 12) of the plasma chamber, thereby pushing up the insulating oil near the insulating material outlet (35) and allowing the insulating oil to circulate.
이때 내·외벽(11, 12) 사이 공간(13)을 순환하는 절연 물질로 인해 플라즈마 챔버에는 팽창압이 발생하게 되지만, 플라즈마 챔버 내부의 진공압이 상기 팽창압을 중앙에서 상쇄시킬 수 있다. 그리고 플라즈마 챔버의 외벽(12)과, 후술할 플라즈마 챔버의 입구 커버 홀더(31) 및 후술할 출구 커버 홀더(54) 사이에 각각 O링(42)이 개재된 홀더 마운트(33, 53)로 상·하 측면을 보강하게 된다. 상기 홀더 마운트는 플라즈마 챔버의 외벽(12)과, 플라즈마 챔버의 입구 커버 홀더(31) 또는 출구 커버 홀더(54)에 접하는 면이 빗면 형태로 형성되어 상기 O링(42)을 강하게 압박하면서 내·외벽(11, 12) 사이 공간(13)을 순환하는 절연 물질로 인해 발생하는 팽창압에 저항할 수 있게 된다.At this time, expansion pressure is generated in the plasma chamber due to the insulating material circulating in the space (13) between the inner and outer walls (11, 12), but the vacuum pressure inside the plasma chamber can offset the expansion pressure at the center. In addition, the upper and lower sides are reinforced with holder mounts (33, 53) each having an O-ring (42) interposed between the outer wall (12) of the plasma chamber and the inlet cover holder (31) and the outlet cover holder (54) of the plasma chamber, which will be described later. The holder mount is formed in the shape of an inclined surface on the surface that comes into contact with the outer wall (12) of the plasma chamber and the inlet cover holder (31) or the outlet cover holder (54) of the plasma chamber, thereby strongly pressing the O-ring (42) and resisting the expansion pressure generated by the insulating material circulating in the space (13) between the inner and outer walls (11, 12).
도 6 내지 도 8을 참조하면, 가속전극은 전체적으로 캡형으로 형성되되, 플라즈마 노출부(22)의 표면적을 증가시키기 위하여 상부가 요철형으로 형성된다. 가스 분자는 전자와 충돌하여 이온화되고, 다시 전자가 재결합 및 이탈을 반복하며 플라즈마가 생성 및 유지되므로 보다 많은 전자를 플라즈마의 연료로써 지속적으로 공급시킬 수 있도록 전극의 플라즈마 노출부에 요철을 형성하는 것이다. 이때 가속전극의 요철면까지는 동전위 공간에서 쉬스(sheath)에 의해 전자가 이동하게 되고 가속전극의 인출구를 통과한 이후에야 이온이 가속되게 되므로, 가속전극에 요철을 형성하더라도 다른 요소에는 영향을 주지 않고 전자가 증가하여 플라즈마의 연료가 증가하게 되는 효과를 얻을 수 있는 것이다. 상기 요철은 파형을 비롯하여 플라즈마 노출부(22)의 표면적이 증가할 수 있는 형상이면 어느 것으로도 변형하여 사용할 수 있으며, 가속전극과 마찬가지로 입구 커버 전극(21)도 플라즈마 노출부(24)를 요철형으로 형성할 수 있다.Referring to FIGS. 6 to 8, the acceleration electrode is formed in a cap shape as a whole, but the upper part is formed in a rough shape in order to increase the surface area of the plasma exposure portion (22). Since gas molecules collide with electrons and are ionized, and the electrons are recombined and separated repeatedly to generate and maintain plasma, the unevenness is formed in the plasma exposure portion of the electrode so that more electrons can be continuously supplied as plasma fuel. At this time, electrons move by a sheath in the same potential space up to the uneven surface of the acceleration electrode, and ions are accelerated only after passing through the outlet of the acceleration electrode. Therefore, even if the unevenness is formed in the acceleration electrode, the effect of increasing electrons and increasing plasma fuel can be obtained without affecting other elements. The unevenness can be modified and used in any shape that can increase the surface area of the plasma exposure portion (22), including a waveform, and like the acceleration electrode, the inlet cover electrode (21) can also form the plasma exposure portion (24) in a rough shape.
상술한 바와 같이 본 발명은 전극의 형상이 개량되어 보다 안정적인 플라즈마의 생성 및 유지가 가능하게 되어 일정한 양의 이온빔 방출이 가능하다.As described above, the present invention improves the shape of the electrode to enable more stable generation and maintenance of plasma, thereby enabling emission of a constant amount of ion beam.
도 9를 참조하면, 가속전극은 절연파괴를 방지할 수 있도록 전체적인 형상이 캡형으로 형성됨이 바람직하다. 즉 플라즈마 이온빔 소스로부터 이온빔이 방출될 때 가속전극 근처에 배치된 익스트랙터 전극(25)에 발산된 빔의 일부가 맞을 수 있는데, 이때 발생하는 전자들이 세라믹 재질의 플라즈마 챔버 출구 커버(51)에 쌓이면서 그라운드(Ground)로 빠지지 못하게 된다. 이와 같이 전자들이 계속 쌓이게 되면 전위를 이루게 되고 시간이 경과하면서 가속전극과 전위차가 발생하게 되어 절연파괴로 이어질 수 있기 때문에 세라믹 재질의 출구 커버(51)가 전자에 노출되지 않도록 익스트랙터 전극을 감싸는 형상의 캡형으로 형성됨이 바람직한 것이다.Referring to FIG. 9, it is preferable that the overall shape of the acceleration electrode be formed in a cap shape so as to prevent insulation breakdown. That is, when an ion beam is emitted from a plasma ion beam source, a part of the emitted beam may hit the extractor electrode (25) placed near the acceleration electrode, and the electrons generated at this time are accumulated on the ceramic plasma chamber outlet cover (51) and prevented from escaping to the ground. If the electrons continue to accumulate in this way, a potential is formed, and over time, a potential difference is generated with the acceleration electrode, which may lead to insulation breakdown. Therefore, it is preferable that the ceramic outlet cover (51) be formed in a cap shape that surrounds the extractor electrode so that it is not exposed to the electrons.
도 10은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이온빔 소스에 있어서, 이중관형 플라즈마 챔버의 입구 및 출구 구성을 도시한 개념도이고, 도 11은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이온빔 소스에 있어서, 기밀 유지를 위한 O링 배치 상황을 설명하기 위한 개념도이다.FIG. 10 is a conceptual diagram illustrating the inlet and outlet configurations of a double-tube plasma chamber in an ion beam source according to a preferred embodiment of the present invention, and FIG. 11 is a conceptual diagram explaining the arrangement of an O-ring for maintaining confidentiality in an ion beam source according to a preferred embodiment of the present invention.
도 10을 참조하면, 이중관형 플라즈마 챔버의 입구(30) 측에는 입구 커버 전극(21), 입구 홀더 마운트(33), 입구 커버 홀더(31)가 배치되고, 상기 이중관형 플라즈마 챔버의 출구(50) 측에는 출구 커버(51), 가속전극 홀더(52), 출구 홀더 마운트(53), 출구 커버 홀더(54), 이온빔 소스 베이스 플레이트(55)가 배치된다.Referring to FIG. 10, an inlet cover electrode (21), an inlet holder mount (33), and an inlet cover holder (31) are arranged on the inlet (30) side of the double-tube plasma chamber, and an outlet cover (51), an acceleration electrode holder (52), an outlet holder mount (53), an outlet cover holder (54), and an ion beam source base plate (55) are arranged on the outlet (50) side of the double-tube plasma chamber.
즉 상기 이중관형 플라즈마 챔버의 입구(30) 측에는 입구 커버 전극(21), 입구 홀더 마운트(33), 입구 커버 홀더(31)가 배치되는데, 상기 입구 커버 전극(21)에는 상술한 바와 같이, 절연 물질 유입구(34) 및 절연 물질 유출구(35)가 형성되고, 또한 가스 주입 장치(32)가 장착된다. 상기 입구 커버 홀더(31)는 상기 입구 커버 전극(21)을 수용하는 한편 플라즈마 챔버의 내·외벽(11, 12) 사이 공간(13)을 순환하는 절연 물질로 인해 발생하는 팽창압에 저항하도록 설치된 입구 홀더 마운트(33)와 결합되어 설치됨이 바람직하다.That is, on the inlet (30) side of the double-tube plasma chamber, an inlet cover electrode (21), an inlet holder mount (33), and an inlet cover holder (31) are arranged. As described above, an insulating material inlet (34) and an insulating material outlet (35) are formed in the inlet cover electrode (21), and a gas injection device (32) is also mounted. It is preferable that the inlet cover holder (31) be installed in combination with an inlet holder mount (33) that accommodates the inlet cover electrode (21) and resists expansion pressure generated by an insulating material circulating in the space (13) between the inner and outer walls (11, 12) of the plasma chamber.
또한 상기 이중관형 플라즈마 챔버의 출구(50) 측에는 출구 커버(51), 출구 홀더 마운트(53), 출구 커버 홀더(54)가 배치되는데, 상기 출구 커버(51)에는 플라즈마 챔버와 가속전극이 수용되고, 상기 가속전극은 상기 가속전극 홀더(52)에 의해 지지되는 한편 이중관형 플라즈마 챔버의 진공을 유지하는 이온빔 소스 베이스 플레이트(55)와 출구 커버 홀더(54)에 의해 결합되도록 구성됨이 바람직하다. 상기 출구 커버 홀더(54)는 플라즈마 챔버의 내·외벽(11, 12) 사이 공간(13)을 순환하는 절연 물질로 인해 발생하는 팽창압에 저항하도록 설치된 출구 홀더 마운트(53)와 결합되어 설치됨이 바람직하다.In addition, an outlet cover (51), an outlet holder mount (53), and an outlet cover holder (54) are arranged on the outlet (50) side of the double-tubular plasma chamber. The outlet cover (51) accommodates a plasma chamber and an accelerating electrode, and the accelerating electrode is preferably configured to be supported by the accelerating electrode holder (52) while being coupled to an ion beam source base plate (55) that maintains a vacuum in the double-tubular plasma chamber by the outlet cover holder (54). The outlet cover holder (54) is preferably installed in combination with an outlet holder mount (53) that is installed to resist expansion pressure generated by an insulating material circulating in the space (13) between the inner and outer walls (11, 12) of the plasma chamber.
상기 입구 커버 홀더(31), 입구 홀더 마운트(33), 출구 커버(51), 가속전극 홀더(52), 이온빔 소스 베이스 플레이트(55), 출구 홀더 마운트(53) 및 출구 커버 홀더(54)는 절연 효과를 높일 수 있도록 세라믹재로 형성함이 바람직하며, 또한 도 11에 도시된 바와 같이 절연 물질의 누설을 방지하고 플라즈마 챔버의 기밀을 유지함과 동시에 절연 효과가 강화될 수 있도록 필요 개소에 O링(42)을 부가함이 바람직하다.It is preferable that the above inlet cover holder (31), inlet holder mount (33), outlet cover (51), acceleration electrode holder (52), ion beam source base plate (55), outlet holder mount (53), and outlet cover holder (54) be formed of a ceramic material to enhance the insulating effect, and further, as shown in Fig. 11, it is preferable to add an O-ring (42) to necessary locations to prevent leakage of the insulating material, maintain the airtightness of the plasma chamber, and enhance the insulating effect.
한편 도 12에 도시된 바와 같이, 상기 플라즈마 챔버의 출구(50) 측에 배치된 가속전극 하부에는 익스트랙터 전극(25)이 배치된다. 상기 익스트랙터 전극(25)은 상기 가속전극과의 전위차로 이온빔을 가속시킴과 동시에 이온빔의 수렴 및 발산 정도를 조절하기 위한 전극이다. 즉 익스트랙터 전극(25)과 가속전극 사이의 전위차를 작게 하면 발산각이 작아지면서 분해능이 떨어지고, 전위차를 크게 하면 발산각이 커지면서 분해능이 향상된다. 그러나 가공용 시료에 도달하는 이온빔의 양과 절연파괴의 여부도 고려해야 하기에, 형상 및 주변 전극들 간의 거리가 고려되어 배치될 수 있다.Meanwhile, as illustrated in FIG. 12, an extractor electrode (25) is arranged below the accelerating electrode located on the exit (50) side of the plasma chamber. The extractor electrode (25) is an electrode for accelerating an ion beam by a potential difference with respect to the accelerating electrode and at the same time controlling the degree of convergence and divergence of the ion beam. In other words, if the potential difference between the extractor electrode (25) and the accelerating electrode is reduced, the divergence angle is reduced and the resolution is reduced, and if the potential difference is increased, the divergence angle is increased and the resolution is improved. However, since the amount of ion beam reaching the processing sample and whether or not insulation breakdown occurs must also be considered, the shape and the distance between the surrounding electrodes can be considered when arranged.
한편 통상적인 플라즈마 이온빔 소스는 가스만 주입하면 영구적으로 사용할 수 있는 기기가 아니라 플라즈마 챔버 오염 등의 문제로, 이온빔 소스를 분해하여 절연 물질을 제거한 후 플라즈마 챔버 내부를 주기적으로 클리닝하거나, 플라즈마 챔버 자체를 교체하여야 하는 등의 문제점이 있으므로, 유지 보수를 용이하게 할 필요가 있다.On the other hand, conventional plasma ion beam sources are not devices that can be used permanently by simply injecting gas. There are problems such as contamination of the plasma chamber, requiring the ion beam source to be disassembled to remove the insulating material and periodically cleaning the inside of the plasma chamber, or replacing the plasma chamber itself. Therefore, there is a need for easy maintenance.
도 13을 참조하면, 본 발명의 플라즈마 이온빔 소스를 구성하는, 캡슐형 플라즈마 챔버 조립체(5)는 유전체로 이루어진 내벽(11)과 외벽(12)을 포함하는 플라즈마 챔버와, 플라즈마 챔버의 입구(30)에 배치되는 입구 커버 전극(21)과, 입구 커버 홀더(31), 입구 홀더 마운트(33), 상기 입구 커버 전극(21)에 장착되는 가스 주입 장치(32)와, 플라즈마 챔버의 출구(50)에 배치되는 출구 커버(51)와, 상기 출구 커버(51)에 배치되는 가속전극(23)과, 상기 가속전극(23)을 지지하는 가속전극 홀더(52)를 포함하여 구성되는 바, 상기와 같이 구성된 본 발명의 플라즈마 이온빔 소스는 플라즈마 챔버 내부를 클리닝 할 필요가 있을 때 캡슐형 플라즈마 챔버 조립체(5)를 이온빔 소스 베이스 플레이트(55)로부터 떼어낸 후, 상기 캡슐형 플라즈마 챔버 조립체(5)에서 가속전극(23)과 가속전극 홀더(52)만을 분해하여 플라즈마 챔버 내부를 용이하게 유지 보수 할 수 있다.Referring to FIG. 13, the capsule-type plasma chamber assembly (5) constituting the plasma ion beam source of the present invention comprises a plasma chamber including an inner wall (11) and an outer wall (12) made of a dielectric, an inlet cover electrode (21) positioned at the inlet (30) of the plasma chamber, an inlet cover holder (31), an inlet holder mount (33), a gas injection device (32) mounted on the inlet cover electrode (21), an outlet cover (51) positioned at the outlet (50) of the plasma chamber, an acceleration electrode (23) positioned on the outlet cover (51), and an acceleration electrode holder (52) supporting the acceleration electrode (23). When the plasma ion beam source of the present invention configured as described above needs to clean the inside of the plasma chamber, the capsule-type plasma chamber assembly (5) is separated from the ion beam source base plate (55), and only the acceleration electrode (23) and the acceleration electrode holder (52) are disassembled from the capsule-type plasma chamber assembly (5). The interior is easy to maintain.
도 14를 참조하면, 본 발명의 플라즈마 이온빔 소스는, 캡슐형 플라즈마 챔버 조립체(5)와, 상기 캡슐형 플라즈마 챔버 조립체(5) 외부에 배치되는 RF 코일(41), 출구 홀더 마운트(53), 출구 커버 홀더(54), 이온빔 소스 베이스 플레이트(55)를 포함하여 구성되는 바, 상기와 같이 구성된 본 발명의 플라즈마 이온빔 소스는 필요할 경우 캡슐형 플라즈마 챔버 조립체(5)를 이온빔 소스 베이스 플레이트(55)로부터 떼어낸 후 새로운 캡슐형 플라즈마 챔버 조립체(5)로 간단하게 교체가 가능하다. 이때 플라즈마 챔버의 기밀을 유지함과 동시에 절연 효과가 강화될 수 있도록 필요 개소에 O링(42)이 부가됨이 바람직하다.Referring to FIG. 14, the plasma ion beam source of the present invention comprises a capsule-type plasma chamber assembly (5), an RF coil (41), an outlet holder mount (53), an outlet cover holder (54), and an ion beam source base plate (55) arranged outside the capsule-type plasma chamber assembly (5). The plasma ion beam source of the present invention configured as described above can be simply replaced with a new capsule-type plasma chamber assembly (5) by removing the capsule-type plasma chamber assembly (5) from the ion beam source base plate (55), if necessary. At this time, it is preferable to add an O-ring (42) to a necessary location so that the sealing of the plasma chamber can be maintained while the insulation effect can be strengthened.
이하, 본 발명의 사용 상태에 대하여 설명한다.Below, the usage state of the present invention is described.
본 발명의 이온빔 발생장치를 통해, 플라즈마 챔버의 내·외벽(11, 12) 사이 공간(13)으로 절연 물질을 순환시키면서 플라즈마 챔버 내부를 10-2Torr 정도의 진공압을 형성한 후, 가스 주입 장치(32)를 통해 플라즈마 생성 챔버의 내부로 불활성 가스를 주입하고 상기 플라즈마 생성 챔버의 하부 외측에 배치된 RF 코일(41)에 RF 파워를 인가하지만, 입구 커버 전극(21)에는 아직 전압을 인가하지 않는다. RF 파워에 의해 플라즈마 생성 챔버 내에 주입된 불활성 가스는 이온화되어 중성의 플라즈마가 생성된다. 이때 입구 커버 전극(21)에 30kV의 고전압을 인가하면 플라즈마 생성 챔버에 발생된 플라즈마에 의해 가속전극(23)이 입구 커버 전극(21)과 동전위가 되고, 방출된 이온은 가속전극(23)과 익스트랙터 전극(25) 간의 전위차에 의해 가속되면서 이온빔이 만들어지게 된다.By means of the ion beam generator of the present invention, an insulating material is circulated between the space (13) between the inner and outer walls (11, 12) of the plasma chamber, and a vacuum pressure of about 10-2 Torr is formed inside the plasma chamber. Then, an inert gas is injected into the inside of the plasma generation chamber through the gas injection device (32), and RF power is applied to the RF coil (41) arranged on the lower outer side of the plasma generation chamber. However, voltage is not yet applied to the inlet cover electrode (21). The inert gas injected into the plasma generation chamber by the RF power is ionized, and neutral plasma is generated. At this time, when a high voltage of 30 kV is applied to the inlet cover electrode (21), the accelerating electrode (23) becomes at the same potential as the inlet cover electrode (21) due to the plasma generated in the plasma generation chamber, and the emitted ions are accelerated by the potential difference between the accelerating electrode (23) and the extractor electrode (25), thereby generating an ion beam.
이상 서술한 바와 같이, 본 발명의 이온빔 발생장치에 의하면 패러데이 쉴드를 설치하지 않고, RF 코일의 위치를 가속전극에 가깝게 위치시킨 채 고전압을 인가하더라도 상기 RF 코일이 플라즈마가 생성 및 유지되는 플라즈마 챔버의 내벽과 근접하지 않고 최적거리를 유지 및 절연층으로 분리된 구조로 형성되어 있으므로 유전체가 스퍼터링 현상에 의해 입게 되는 손상이 줄어들어 플라즈마 챔버 내의 오염도를 감소시키는 효과를 얻을 수 있다.As described above, according to the ion beam generator of the present invention, even if a high voltage is applied while the RF coil is positioned close to the accelerating electrode without installing a Faraday shield, the RF coil is formed in a structure in which the RF coil does not come close to the inner wall of the plasma chamber where plasma is generated and maintained, but maintains an optimal distance and is separated by an insulating layer, so that damage to the dielectric due to the sputtering phenomenon is reduced, thereby obtaining the effect of reducing the level of contamination within the plasma chamber.
또한 RF 코일의 위치를 가속전극에 가깝게 위치시킨 채 고전압을 인가하더라도 절연이 파괴되지 않아 플라즈마를 인출구 가까이에서 발생시킬 수 있으므로 시료를 짧은 시간 내에 가공할 수 있는 이온빔을 제공할 수 있는 효과가 있다.In addition, even if a high voltage is applied while the RF coil is positioned close to the accelerating electrode, the insulation is not destroyed, so plasma can be generated close to the outlet, thereby providing an ion beam that can process a sample in a short period of time.
또한 본 발명은 진공 외부 노출형 가속전극과 진공 내부 배치형 가속전극의 장점을 모두 취할 수 있어서 많은 양의 이온빔을 제공함과 동시에 이온빔 소스의 안정적 운용이 가능한 효과가 있다.In addition, the present invention can take advantage of both the vacuum external exposure type accelerating electrode and the vacuum internal placement type accelerating electrode, thereby providing a large amount of ion beams and enabling stable operation of the ion beam source.
또한 본 발명은 플라즈마 이온빔 소스의 플라즈마 챔버 조립체가 캡슐형으로 형성되어 이온빔 소스 베이스 플레이트에 모듈식으로 교체가 가능하므로 유지 보수가 용이하게 되는 효과가 있다.In addition, the present invention has the effect of facilitating maintenance since the plasma chamber assembly of the plasma ion beam source is formed in a capsule shape and can be modularly replaced with the ion beam source base plate.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.The above description of the present invention is for illustrative purposes, and those skilled in the art will understand that the present invention can be easily modified into other specific forms without changing the technical idea or essential characteristics of the present invention. Therefore, it should be understood that the embodiments described above are exemplary in all respects and not restrictive. For example, each component described as a single component may be implemented in a distributed manner, and likewise, components described as distributed may be implemented in a combined manner.
본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.The scope of the present invention is indicated by the claims described below, and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and their equivalent concepts should be interpreted as being included in the scope of the present invention.
1: ICP 이온빔 소스 5: 플라즈마 챔버 조립체
10: 플라즈마 챔버 11: 내벽
12: 외벽 13: 내·외벽 사이 공간
20: 전극 21: 입구 커버 전극
22: 입구 커버 전극의 플라즈마 노출부
23: 가속전극 24: 가속전극의 플라즈마 노출부
25: 익스트랙터 전극
30: 플라즈마 챔버의 입구 31: 입구 커버 홀더
32 : 가스 주입 장치 33: 입구 홀더 마운트
34: 절연 물질 유입구 35: 절연 물질 유출구
36: 가스 주입구 37: 체크 밸브 플러그 조립체
38: 체크 밸브 플러그 39: 스프링
40: 무두 볼트 41: RF 코일
42: O링
50: 플라즈마 챔버의 출구 51: 출구 커버
52: 가속전극 홀더 53: 출구 홀더 마운트
54: 출구 커버 홀더 55: 이온빔 소스 베이스 플레이트1: ICP ion beam source 5: Plasma chamber assembly
10: Plasma chamber 11: Inner wall
12: Exterior wall 13: Space between inner and outer walls
20: Electrode 21: Inlet cover electrode
22: Plasma exposure area of the inlet cover electrode
23: Accelerating electrode 24: Plasma exposure part of the accelerating electrode
25: Extractor electrode
30: Inlet of plasma chamber 31: Inlet cover holder
32: Gas injection device 33: Inlet holder mount
34: Insulating material inlet 35: Insulating material outlet
36: Gas inlet 37: Check valve plug assembly
38: Check valve plug 39: Spring
40: Head bolt 41: RF coil
42: O-ring
50: Exit of plasma chamber 51: Exit cover
52: Accelerating electrode holder 53: Exit holder mount
54: Exit cover holder 55: Ion beam source base plate
Claims (7)
A capsule-shaped plasma chamber assembly comprising a plasma chamber having an inlet and an outlet and inner and outer walls for generating and maintaining plasma using gas introduced through the inlet, an inlet cover electrode positioned at the inlet of the plasma chamber and having an insulating material inlet and an insulating material outlet formed therein, a gas injection device mounted on the inlet cover electrode, an outlet cover positioned at the outlet of the plasma chamber, an accelerating electrode positioned on the outlet cover, and an accelerating electrode holder supporting the accelerating electrode; an extractor electrode positioned a predetermined distance below the accelerating electrode; an RF coil positioned outside the outer wall of the plasma chamber and providing RF power; and an insulating material circulation means for circulating an insulating material between the inner and outer walls of the plasma chamber; A high-voltage application and modular replaceable inductively coupled plasma ion beam source
상기 플라즈마 챔버는 상기 내벽 및 외벽이 유전체로 형성되며, 상기 가속전극 및 입구 커버 전극이 금속제로 형성되고, 상기 출구 커버가 세라믹제로 형성되는, 고전압 인가와 모듈식 교체가 가능한 유도결합 플라즈마 이온빔 소스
In claim 1,
The plasma chamber is an inductively coupled plasma ion beam source capable of high voltage application and modular replacement, in which the inner and outer walls are formed of a dielectric, the accelerating electrode and the inlet cover electrode are formed of a metal, and the outlet cover is formed of a ceramic.
상기 이온빔 소스는 30kV의 고전압이 상기 입구 커버 전극에 인가되는, 고전압 인가와 모듈식 교체가 가능한 유도결합 플라즈마 이온빔 소스
In claim 2,
The above ion beam source is a high voltage application and modular replaceable inductively coupled plasma ion beam source in which a high voltage of 30 kV is applied to the inlet cover electrode.
상기 이온빔 소스의 RF 코일은 상기 플라즈마 챔버의 외벽 하단부에 배치되는, 고전압 인가와 모듈식 교체가 가능한 유도결합 플라즈마 이온빔 소스
In any one of claims 1 to 3,
The RF coil of the above ion beam source is an inductively coupled plasma ion beam source that is placed on the lower part of the outer wall of the plasma chamber and is capable of being applied with a high voltage and being modularly replaced.
상기 이온빔 소스의 상기 가속전극 및 상기 입구 커버 전극의 플라즈마 노출 영역이 요철형으로 형성되는, 고전압 인가와 모듈식 교체가 가능한 유도결합 플라즈마 이온빔 소스
In any one of claims 1 to 3,
A high-voltage application and modularly replaceable inductively coupled plasma ion beam source in which the plasma exposure area of the accelerating electrode and the entrance cover electrode of the ion beam source is formed in a convex shape
상기 이온빔 소스의 가스 주입 장치에 체크 밸브 플러그가 적용되는, 고전압 인가와 모듈식 교체가 가능한 유도결합 플라즈마 이온빔 소스
In any one of claims 1 to 3,
A high-voltage, modularly replaceable inductively coupled plasma ion beam source with a check valve plug applied to the gas injection device of the above ion beam source.
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