KR102732203B1

KR102732203B1 - 개선된 이온 소스 캐소드 쉴드

Info

Publication number: KR102732203B1
Application number: KR1020187022587A
Authority: KR
Inventors: 네일 콜빈; 체-젠 시에; 폴 실버스타인
Original assignee: 액셀리스 테크놀러지스, 인크.
Priority date: 2016-01-19
Filing date: 2017-01-19
Publication date: 2024-11-19
Anticipated expiration: 2037-01-19
Also published as: US20170207054A1; TWI719122B; CN108701573A; US9941087B2; WO2017127525A1; KR20180103951A; TW201737283A; CN108701573B; JP2019505960A; JP6802277B2

Abstract

이온 소스는 아크 챔버 몸체를 가지는 아크 챔버를 갖는다. 전극은 상기 아크 챔버의 내부 영역으로 연장하고, 캐소드 쉴드는 축방향 홀을 가지는 원통형의 몸체를 가진다. 상기 축방향 홀은 상기 전극을 통과시키도록 구성된다. 상기 몸체의 제1 및 제2 단부는 각각 제1 및 제2 가스 컨덕턴스 제한기를 가진다. 상기 제1 가스 컨덕턴스 제한기는 상기 몸체의 외측 반경으로부터 연장되고 U 자형 립을 가진다. 상기 제 2 가스 컨덕턴스 제한기는 부식성 가스로부터 씰을 보호하고 상기 씰의 일체 성을 유지기 위해 씰을 위한 리세스를 갖는다. 가스 소스는 상기 아크 챔버 몸체에 가스를 도입한다. 라이너는 캐소드 쉴드를 통과시키도록 구성된 개구부를 가지며, 상기 라이너는 리세스를 갖는다.

Description

개선된 이온 소스 캐소드 쉴드

본 출원은 2016년 1월 19일자로 출원된 "개선된 이온 소스 캐소드 쉴드 (IMPROVED ION SOURCE CATHOD SHIELD)"라는 명칭의 미국 가출원 제62/280,567호의 이익을 주장하며, 그 내용은 전체가 본원에 참고로 인용된다.

본 발명은 일반적으로 이온 주입 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 질화 붕소 씰(boron nitride seal)의 수명을 개선하여 일반적으로 이온 소스로부터의 가스 누출을 방지하는 이온 소스의 캐소드(cathode)에 대한 개선된 쉴드(shield)에 관한 것이다.

반도체 장치의 제조에 있어서, 불순물을 반도체에 도핑하기 위해 이온 주입이 사용된다. 이온 주입 시스템들은 n형 또는 p형 물질 도핑을 생성하거나 집적 회로의 제조 중에 패시베이션층(passivation layer)을 형성하기 위하여, 반도체 웨이퍼와 같은 작업물(workpiece)을 이온 빔으로부터의 이온으로 도핑하는 데 종종 사용된다. 이러한 빔 처리는 집적 회로의 제조 공정 중에 반도체 물질을 생성하기 위하여, 소정의 에너지 레벨에서, 그리고 제어된 농도로, 소정의 도펀트 물질의 불순물을 웨이퍼에 선택적으로 주입하는 데 종종 사용된다. 반도체 웨이퍼를 도핑하는 데 사용될 때, 상기 이온 주입 시스템은 소정의 외인성 물질을 생성하기 위해 선택된 이온 종을 작업물에 주입한다. 예를 들어, 안티몬(antimony), 비소(arsenic) 또는 인(phosphorus)과 같은 소스 재료에서 생성된 주입 이온은 "n-형" 외인성 물질 웨이퍼를 생성하는 한편, "p-형" 외인성 물질 웨이퍼는 붕소(boron), 갈륨(gallium) 또는 인듐(indium)과 같은 소스 재료에서 생성된 이온으로부터 생성된다.

통상적인 이온 주입기는 이온 소스, 이온 추출 장치, 질량 분석 장치, 빔 운반 장치 및 웨이퍼 처리 장치를 포함한다. 상기 이온 소스는 소정의 원자 또는 분자 도펀트 종의 이온을 생성한다. 이러한 이온들은 일반적으로 전극 세트인 추출 시스템에 의하여 소스에서 추출되는데, 추출 시스템은 상기 소스로부터 이온들의 흐름을 활성화하고 유도하며, 이온 빔을 형성한다. 소정의 이온들은 일반적으로 추출된 이온 빔의 질량 분산 또는 분리를 수행하는 자기 쌍극자인 질량 분석 장치에서 이온 빔과 분리 된다. 통상적으로, 일련의 포커싱 장치들을 포함하는 진공 시스템인 빔 운반 장치는 이온 빔의 소정의 특성을 유지하면서 이온 빔을 상기 웨이퍼 처리 장치로 운반한다. 마지막으로, 반도체 웨이퍼는 웨이퍼 핸들링 시스템을 통해 상기 웨이퍼 처리 장치로 이송 및 상기 웨이퍼 처리 장치로부터 이송되고, 이러한 웨이퍼 핸들링 시스템은 상기 이온 빔의 전방에 처리될 웨이퍼를 배치하고 상기 이온 주입기로부터 처리된 웨이퍼를 제거하기 위한 하나 이상의 로봇 암을 포함할 수 있다.

이온 소스(일반적으로 아크 이온 소스라고 함)는 이온 주입기에 사용되는 이온 빔을 생성하며 웨이퍼 처리를 위해 적절한 이온 빔으로 형상화된 이온을 생성하기 위한 가열된 필라멘트 캐소드를 포함할 수 있다. 스펠라조 외(Sferlazzo et al.)의 미국 특허 제5,497,006호는 예를 들어, 베이스에 의해 지지되고 이온화 전자(ionizing electrons)를 가스 유폐 챔버(gas confinement chamber) 내로 방출하기 위해 가스 유폐 챔버에 대해 위치된 캐소드를 갖는 이온 소스를 개시한다. 스펠라조 외의 미국 특허 제5,497,006호의 캐소드는 상기 가스 유폐 챔버 내로 부분적으로 연장되는 엔드캡(endcap)을 갖는 관형 도전 몸체(tubular conductive body)이다. 필라멘트는 관형 몸체 내에 지지되고, 전자 충격을 통해 상기 엔드캡을 가열하는 전자를 방출함으로써, 이온화하는 전자(ionizing electrons)를 상기 가스 유폐 챔버로 열이온으로(themionically) 방출한다.

종래의 이온 소스는 플루오린(fluorine) 또는 다른 휘발성 부식성 종과 같은 가스를 이용한다. 시간 경과에 따라 캐소드 씰(cathode seal)의 내경을 식각할 수 있는 캐소드와 관련된 씰은 휘발성 가스가 누출되어 캐소드 어셈블리 절연체와 같은 인근 절연체를 손상시키도록 만들어 준다. 이러한 누출은 상기 이온 소스의 유용한 수명을 단축시킬 것이고, 이에 따라 이온 주입기의 내부 부품을 교체하기 위해 이온 주입기를 정지시키는 결과를 초래한다.

본 발명은 따라서 이온 소스의 수명을 증가시키는 시스템 및 장치를 제공한다. 이에 따라, 이하에서는 본 발명의 일부 측면의 기본적인 이해를 제공하기 위해 본 발명의 단순화된 요약을 제공한다. 이 요약은 발명의 광범위한 개관이 아니다. 본 발명의 주요 요소 또는 중요한 요소를 식별하거나 본 발명의 범위를 기술하지 않는다. 이것의 목적은 후술되는 보다 상세한 설명의 서두로서 본 발명의 일부 개념을 단순화된 형태로 제시하는 것이다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 이온 소스용 캐소드 쉴드(cathode shield)가 제공된다. 상기 캐소드 쉴드는 몸체를 포함하며, 상기 몸체는 대체로 원통형이며, 몸체를 관통하여 규정된 축 방향 홀(hole)을 갖는다. 상기 축 방향 홀은, 예를 들어 캐소드와 같은 전극을 관통하도록 구성된다. 제 1 가스 컨덕턴스(conductance 제한기는 상기 몸체의 제1 단부와 추가로 관련된다. 상기 제1 가스 컨덕턴스 제한기는 예를 들어, 상기 몸체의 제1 외측 직경으로부터 반경 방향 외측으로 연장되고, 상기 제1 가스 컨덕턴스 제한기는 상기 몸체의 제1 단부로부터 상기 몸체의 제2 단부를 향해 축 방향으로 연장되는 U 자형 립(U-shaped lip)을 포함한다.

제2 가스 컨덕턴스 제한기는 또한 상기 몸체의 제2 단부와 관련될 수 있다. 상기 제2 가스 컨덕턴스 제한기는 상기 몸체의 제1 외측 직경으로부터 반경 방향 내측으로 연장되며, 상기 제2 가스 컨덕턴스 제한기는 씰(seal)을 수용하도록 구성된 표면을 갖는다. 상기 표면은 예를 들어, 일반적으로 상기 씰의 적어도 일부를 둘러싸도록 형성된다.

일 실시예에 따르면, 상기 U 자형 립은 상기 이온 소스의 라이너의 리 세스(recess)와 정합하도록 구성된다. 갭이 예를 들어, 상기 U 자형 립과 상기 라이너 사이에 규정되고, 상기 U 자형 립은 상기 갭으로의 가스의 컨덕턴스를 실질적으로 감소시킨다. 일 실시예에서, 상기 갭은 상기 캐소드 쉴드 및 아크 챔버 몸체 내의 홀 사이에서 추가로 규정된다.

상기 캐소드 쉴드의 제2 가스 컨덕턴스 제한기는 예를 들어, 래비린드 씰(labyrinth seal)을 더 포함할 수 있고, 상기 래비린드 씰은 상기 몸체의 제2 외측 직경에 의해 일반적으로 규정된다. 상기 래비린드 씰은 상기 질화 붕소(boron nitride) 씰을 수용하도록 구성될 수 있다. 일 실시예에서, 상기 래비린드 씰은 일반적으로 상기 래비린드 씰과 관련된 영역으로 부식성 가스의 가스 컨덕턴스를 감소시킴으로써 상기 이온 소스와 관련된 부식성 가스로부터 상기 질화 붕소 씰과 관련된 씰링 표면을 보호한다.

또 다른 예시적인 측면에 따르면, 이온 소스를 위한 아크 챔버(arc chamber)가 제공된다. 상기 아크 챔버는 예를 들면, 아크 챔버 몸체 및 상기 아크 챔버 몸체의 내부 영역으로 연장하는 전극를 포함한다. 상기 아크 챔버는 상기 캐소드 쉴드를 추가적으로 포함한다.

일 실시예에 따르면, 라이너가 상기 아크 챔버 몸체와 추가적으로 연관되고, 상기 라이너는 상기 캐소드 쉴드를 통과시키도록 구성된 개구부를 가진다. 상기 라이너는 예를 들면, 내부에 규정된 리세스를 가지고, 갭(gap)이 상기 캐소드 쉴드의 U 자형 립과 상기 라이너 사이에 규정되며, 상기 U 자형 립은 실질적으로 상기 갭 내부로의 가스의 컨덕턴스를 감소시킨다. 일 실시예에서, 상기 갭은 상기 캐소드 쉴드와 상기 아크 챔버 몸체의 홀 사이에 추가적으로 규정된다.

또 다른 실시예에서, 상기 질화 붕소 씰은 추가적으로 상기 래비드린 씰과 상기 아크 챔버 몸체 사이에 배치될 수 있고, 상기 질화 붕소 씰은 상기 아크 챔버 몸체로부터 상기 전극을 전기적으로 절연시킨다. 상기 래비린드 씰은 일반적으로 상기 래비린드 씰과 관련된 영역으로 부식성 가스의 가스 컨덕턴스를 감소시킴으로써 상기 이온 소스와 관련된 부식성 가스로부터 상기 질화 붕소 씰과 관련된 씰링 표면을 보호한다.

본 발명의 또 다른 예식적인 측면에 따르면, 이온 주입 시스템을 위한 이온 소스와 같은 이온 소스가 제공된다. 상기 이온 소스는 예를 들면, 상기 아크 챔버 및 가스 소스를 포함하고, 상기 가스 소스는 추가적으로 상기 아크 챔버 몸체의 내부 영역으로 가스를 도입하도록 구성된다.

또 다른 실시예에서, 상기 이온 소스는 상기 캐소드와 대향하여 배치된 리펠러(repeller)를 더 포함한다. 아크 슬릿이 상기 아크 챔버로부터 이온들을 추출하기 위해 상기 아크 챔버에 추가적으로 제공될 수 있다.

전술한 목적 및 관련 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 이하 충분히 설명되고 특히 청구 범위에서 지적된 특징을 포함한다. 다음 설명 및 첨부된 도면은 본 발명의 특정 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나 이들 실시예는 본 발명의 원리가 채용될 수 있는 다양한 방식 중 몇 가지 방식을 나타낸다. 본 발명의 다른 목적, 이점 및 신규한 특징은 도면과 함께 고려될 때 본 발명의 다음의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.

도 1은 본 발명의 몇몇 측면에 따른 이온 소스 캐소드 쉴드를 이용하는 예시적인 진공 시스템의 블록도이다.
도 2는 본 발명의 다양한 측면에 따른 이온 소스의 사시도를 도시한다.
도 3은 종래의 이온 소스의 단면 사시도를 도시한다.
도 4는 종래의 아크 챔버의 단면도를 도시한다.
도 5는 본 발명의 다양한 측면에 따른 예시적인 아크 챔버의 단면도를 도시한다.
도 6은 본 발명의 다양한 측면에 따른 예시적인 이온 소스의 단면 사시도를 도시한다.
도 7a는 본 발명의 다양한 측면에 따른 예시적인 이온 소스 캐소드 쉴드의 사시도를 도시한다.
도 7b는 본 발명의 다양한 측면에 따른 예시적인 이온 소스 캐소드 쉴드의 단면도를 도시한다.
도 8은 본 발명의 다양측 측면에 따라 도 7a 내지 도 7b의 이온 소스 캐소드 쉴드를 수용하도록 구성된 아크 챔버 라이너의 사시도를 도시한다.

본 발명은 일반적으로 이온 주입 시스템 및 그와 관련된 이온 소스에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 상기 이온 소스의 수명을 증가시키고 상기 이온 소스의 유지 보수를 줄이고 생산성을 향상시키기 위한 시스템 및 장치에 관한 것으로, 개선된 캐소드 쉴드가 상기 이온 소스에 제공된다.

이에 따라 본 발명은 도면을 참조하여 설명될 것이며, 도면 전체에 걸쳐서 동일한 도면 부호는 동일한 구성요소를 지칭하는 것으로 사용될 수 있다. 이하에서의 설명은 단지 예시적인 것이고, 상세한 설명은 제한적인 의미로 해석되어서는 안된다는 것이 이해되어야 한다. 이하의 설명에서, 설명의 목적으로, 본 발명의 세밀한 이해를 제공하기 위해 다수의 특정 세부 사항이 설명된다. 그러나 당업자에게는 본 발명이 이러한 특정 세부사항들 없이 실시될 수 있음이 명백할 것이다. 또한, 본 발명의 범위는 첨부된 도면을 참조하여 이하에 설명되는 실시예 또는 예시에 의해 제한되지 않으며, 첨부된 청구범위 및 그 실질적 균등물에 의해서만 제한되도록 의도된다.

또한, 도면은 본 발명의 실시예의 일부 측면을 설명하기 위해 제공되며 따라서 단지 개략도로 간주되어야 함을 유의해야 한다. 특히, 도면들에 도시된 구성요소들은 반드시 서로 축척이 일치할 필요는 없으며, 도면들에서 다양한 구성요소들의 배치는 각각의 실시예를 명확하게 이해하도록 제공되며 본 발명의 일 실시예에 따른 구현에서 다양한 구성요소의 실제 상대적인 위치를 나타내는 것으로 해석되어질 필요는 없다. 또한, 여기에 기술된 다양한 실시예 및 예시들의 특징들은 특별히 언급되지 않는 한 서로 결합될 수 있다.

다음의 설명에서, 기능 블록들, 장치들, 구성 요소들, 회로 소자들 또는 여기서 도시되거나 설명된 다른 물리적 또는 기능적 유닛들 간의 임의의 직접적인 접속 또는 결합은 간접적인 접속 또는 결합에 의해서도 구현될 수 있다는 것 역시 이해되어야 한다. 또한, 도면들에 도시된 기능 블록들 또는 유닛들은 일 실시예에서 개별적인 특징 또는 구성 요소들로서 구현될 수 있으며, 또한 또는 대안적으로 다른 실시예에서 공통된 특징 또는 구성 요소로 전체적이나 부분적으로 구현될 수 있음도 이해되어야 한다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 도 1은 예시적인 진공 시스템(100)을 도시한다. 본 예시의 진공 시스템(100)은 이온 주입 시스템(101)을 포함하지만, 플라즈마 처리 시스템, 또는 이밖에 반도체 처리 시스템과 같은 다양한 다른 유형의 진공 시스템이 고려될 수 있다. 상기 이온 주입 시스템(101)은, 예를 들어, 터미널(102, terminal), 빔라인 어셈블리(104, beamline assembly) 및 엔드 스테이션(106, end station)을 포함한다.

일반적으로 말하면, 터미널(102) 내의 이온 소스(108)는 전원(110)에 연결되고, 거기에 공급 된 소스 가스(112, 도펀트 가스라고도 함)는 이온 빔(114, ion beam)을 형성하도록 복수의 이온으로 이온화된다. 본 실시예에서의 이온 빔(114)은 빔 조향 장치(116)를 통해 그리고 엔드 스테이션(106)을 향한 애퍼처(118, aperture) 밖으로 향한다. 엔드 스테이션(106)에서, 이온 빔(114)은 작업물(120, workpiece, 예를 들어, 실리콘 웨이퍼, 디스플레이 패널 등과 같은 반도체)에 충돌하는데, 상기 작업물은 척(122, chuck, 예를 들어, 정전척 또는 ESC)에 선택적으로 클램핑되거나 장착된다. 일단 작업물(120)의 격자 내에 삽입되면, 주입된 이온은 상기 작업물의 물리적 및/또는 화학적 특성을 변화시킨다이 때문에, 이온 주입은 반도체 장치 제조 및 금속 마감재뿐만 아니라 재료 과학 연구의 다양한 응용 분야에도 사용된다.

본 발명의 이온 빔 (112)은 펜슬 또는 스폿 빔(pencil or spot beam), 리본 빔(ribbon beam), 주사 빔(scanned beam) 또는 이온들이 엔드 스테이션(106)을 향하는 임의의 다른 형태를 취할 수 있으며, 이러한 모든 형태는 본 발명의 범위 내에 있는 것으로 고려된다.

하나의 예시적인 측면에 따르면, 엔드 스테이션(106)은 진공 챔버(126)와 같은 프로세스 챔버(124)를 포함하며, 프로세스 환경(128)은 프로세스 챔버와 관련된다. 프로세스 환경(128)은 일반적으로 프로세스 챔버(124) 내에 존재하며, 일례에서, 상기 프로세스 챔버에 결합되고 상기 프로세스 챔버를 실질적으로 배기 시키도록 구성된 진공 소스(130, 예를 들어, 진공 펌프)에 의해 생성된 진공을 포함한다. 또한, 진공 시스템(100)의 전반적인 제어를 위해 제어기(132)가 제공된다.

본 발명은 위에서 논의된 이온 주입 시스템(101)에서 이온 소스(108)의 이용을 증가시키고 휴지시간(downtime)을 감소시키도록 구성된 장치를 제공한다. 그러나, 본 발명의 장치는 CVD, PVD, MOCVD, 에칭(etching) 장비 및 다양한 다른 반도체 처리 장비와 같은 다른 반도체 처리 장비에서 구현될 수도 있으며, 이러한 모든 구현 예는 본 발명의 범위 내에 포함되는 것으로 고려된다. 본 발명의 장치는 예방 유지 보수 사이클들 사이에서 이온 소스(108)의 사용 기간을 유리하게 증가시키고, 따라서 시스템 진공(100)의 전체적인 생산성 및 수명을 증가시킨다.

이온 소스(108, 이온 소스 챔버라고도 함)는 예를 들어, 적절한 고온 성능을 제공하기 위해 내화 금속(W, Mo, Ta 등) 및 흑연(graphite)를 사용하여 구성될 수 있으며, 이와 같은 재료들은 일반적으로 반도체 칩 제조업체에 의해 수용되는 것이다. 소스 가스(112)는 이온 소스(108) 내에서 사용되며, 소스 가스는 사실상 전도성이거나 아닐 수도 있다. 그러나, 일단 소스 가스(112)가 깨지거나 파편화되면, 이온화된 가스 부산물은 매우 부식성일 수 있다.

소스 가스(112)의 일례는 이온 주입 시스템 (101)에서 붕소-11(Boron-11) 또는 BF₂ 이온 빔을 생성하기 위한 소스 가스로서 사용될 수 있는 삼플루오르화붕소(boron tri-fluoride, BF3)이다. BF₃ 분자의 이온화 동안, 3개의 자유 플루오린 래디컬(free fluorine radical)이 생성된다. 몰리브덴 및 텅스텐과 같은 내화 금속은 약 700℃의 작동 온도에서 구조적 완전성을 유지하기 위해 이온 소스 챔버(108)를 구성하거나 정렬하는데 사용될 수 있다. 그러나, 내화성 플루오린 화합물(refractory fluoride compounds)은 휘발성이며 상온에서도 매우 높은 증기압을 갖는다. 이온 소스 챔버(108) 내에 형성된 플루오린 라디칼은 텅스텐 금속(몰리브덴 또는 흑연)을 공격하고 텅스텐 헥사플루오라이드(WF₆) (몰리브덴 또는 불화 탄소)를 형성한다.

(1)

또는

(2)

텅스텐 헥사플루오라이드는 일반적으로 뜨거운 표면에서 분해된다. 예를 들어, 이온 소스(200)가 도 2 내지 도 3에 도시되어 있는데, 텅스텐 헥사플루오 라이드 또는 다른 생성 물질은 캐소드(cathode, 206), 리펠러(repeller, 208) 및 상기 이온 소스의 아크 챔버(arc chamber, 212)와 관련된 아크 슬릿 광학계(arc slit optics, 210, 도 3에 도시됨)와 같은 상기 이온 소스의 다양한 내부 구성 요소(204)의 표면 (202) 상으로 분해될 수 있다. 이것은 식 (1)에 나타난 바와 같이 할로겐 사이클(halogen cycle)이라고 불리우지만, 생성된 물질은 아크 챔버(212)의 표면(202)뿐만 아니라 아크 슬릿 광학계(210) 상으로 오염 물질(214, contaminant material, 예를 들어, 고체 상태 미립자 오염물 또는 전도성 필름) 형태로 침전 및/또는 다시 응축될 수 있다.

상기 캐소드가 간접적으로 가열될 때(예를 들어, 텅스텐 또는 탄탈륨으로 구성된 캐소드), 상기 내부 구성 요소 상에 증착된 오염 물질(214)의 다른 소스는 캐소드(206)로부터 발생하고, 간접 가열된 캐소드는 이온 소스 플라즈마(예를 들어, 열이온 전자 방출)를 시작하고 유지하는 데 사용된다. 간접 가열된 캐소드(206) 및 리펠러(208, 예를 들어, 안티 캐소드)는 아크 챔버(212)의 몸체(216)에 대해 음의 전위이고, 상기 캐소드 및 리펠러는 모두 이온화된 가스에 의해 스퍼터링 될 수 있다. 예를 들어, 리펠러(208)는 텅스텐(tungsten), 몰리브덴(molybdenum) 또는 흑연(graphite)으로 구성될 수 있다. 아크 챔버(212)의 내부 구성 요소 상에 증착된 오염 물질(214)의 또 다른 소스는 도펀트 물질(도시되지 않음) 자체이다. 시간이 지남에 따라, 오염 물질(214, 예를 들어, 전기 전도성 물질)의 이들 증착 필름은 표면(202), 특히 캐소드(206)에 근접한 표면을 코팅할 수 있으며, 이에 따라 이온 소스(200)의 수명을 단축시킨다.

종래의 아크 챔버 (230)의 일례가 도 3에 도시되어 있는데, 여기에는 종래의 캐소드 쉴드(cathode shield, 232), 캐소드 씰(cathode seal, 234) 및 캐소드 라이너(cathode liner, 236)가 제공되며, 종래의 캐소드 쉴드 및 캐소드 씰은 본 발명 내용을 보았을 때 당업자에게 이해되는 바와 같이 캐소드(206)를 아크 챔버(212)의 몸체(216)로부터 격리시키려는 것이다. 그러나, 시간의 경과에 따라, 이와 같은 종래의 캐소드 쉴드(232) 및 캐소드 씰(234)의 사용은 전형적으로 이온화된 가스(예를 들어, 플루오린 또는 다른 휘발성 부식성 가스 종)가 종래의 캐소드 쉴드와 캐소드 라이너 사이의 갭(238)에 진입하는 것을 허용할 것이고, 상기 캐소드 씰의 내경(240)을 에칭하게 된다. 이러한 에칭은 이온화된 가스가 방출되어 캐소드(206)와 관련된 절연체와 같은 임의의 인접한 구성 요소를 손상시킨다. 따라서, 이온 소스(200)의 유용한 수명은 에칭으로 인해 단축되고, 이온 소스 또는 부품의 유지 및/또는 교체와 관련된 휴지시간이 예상될 것이다.

종래 장치와 관련된 이러한 문제를 해결하기 위해, 본 발명의 하나의 예시적인 측면에 따라, 아크 챔버(300)가 도 5에 도시되어 있는데, 상기 아크 챔버는 도 6에 나타난 이온 소스(301)에서 사용하기에 적합하며, 상기 아크 챔버의 수명이 실질적으로 개선된다. 도 5에 도시된 바와 같이, 아크 챔버(300)(때때로 캐소드 리펠러(repeller)로 지칭되는)는 캐소드 쉴드(302)를 포함하고, 상기 캐소드 쉴드는 도 7a 내지 도 7b에 보다 상세히 도시된 바와 같이 U 자형 립(U-shaped lip, 304)을 포함한다. U 자형 립(304)은 예를 들어, 캐소드 쉴드(302)의 단부(306)에 위치되고, 상기 U 자형 립은 일반적으로 도 5의 아크 챔버(300)의 아크 챔버 라이너(310) 내의 리세스(308, 예를 들어, 그루브)와 정합한다. 아크 챔버 라이너(310) 내의 리세스(308)는 캐소드 쉴드(302) 내의 U 자형 립(304)과 관련하여, 예를 들어, 상기 캐소드 쉴드와 캐소드(318)가 연장되는 아크 챔버 몸체(316) 내의 홀(314) 사이의 도 6에 도시된 갭(gap, 312)으로 가스의 컨덕턴스(conductance)를 실질적으로 감소시킨다.

일 실시예에서, 래비린드 씰(320, labyrinth seal)은 캐소드 쉴드(200)의 외경에 통합되고, 래비린드 씰은 씰(322, 예를 들어, 질화 붕소 씰)을 수용하도록 구성된다. 씰(322)은 일반적으로 도 6의 이온 소스(301)로부터의 가스 누출을 방지한다. 따라서, 도 5에 도시 된 바와 같이, 아크 챔버 라이너(310)의 리세스 (308) 및 캐소드 쉴드(302)의 U 자형 립(304)은 갭(312)으로 부식성 가스의 컨덕턴스를 감소시킴으로써 씰(322)과 아크 챔버 몸체(316) 사이의 씰링 표면(324)을 부식성 가스로부터 보호한다.

본 발명은 특정 실시예 또는 실시예들에 관하여 도시되고 설명되었지만, 위에서 설명된 실시예들은 본 발명의 일부 실시예들의 구현예들일 뿐이고, 본 발명의 활용은 이들 실시예들에 의해 제한되지 않음을 인지해야 한다. 특히, 상술한 구성 요소(어셈블리, 장치, 회로 등)에 의해 수행되는 다양한 기능과 관련하여, 그러한 구성 요소를 설명하는데 사용된 용어("수단"에 대한 참조 포함)는, 달리 지시되지 않는 한, 여기서 설명된 본 발명의 실시예들에서 기능을 수행하는 개시된 구조와 구조적으로 균등한 것은 아니라고 해도, 설명된 구성 요소의 특정 기능을 수행하는 임의의 구성 요소(즉, 기능적으로 균등함)에 해당될 수 있다. 또한, 본 발명의 특정 특징이 몇몇 실시예들 중 단지 하나와 관련하여 개시되었을지라도, 그러한 특징은 임의로 주어지거나 특정한 활용에 대해 바람직하고 유리할 수 있는 바와 같이 다른 실시예의 하나 이상의 다른 특징들과 결합될 수 있다. 따라서, 본 발명은 상술한 실시예들에 한정되지 않으며, 첨부된 청구범위 및 그 균등물에 의해서만 제한되도록 의도된다.

Claims

이온 소스를 위한 캐소드 쉴드(cathode shield)로서,
원통형이고 그 내부를 관통하여 규정된 축 방향 홀을 가지며, 상기 축 방향 홀은 그를 관통하는 전극을 통과시키도록 구성된 몸체;
상기 몸체의 제1 단부와 연관되고, 상기 몸체의 제1 외측 직경으로부터 반경 방향 외측으로 연장되며, 상기 몸체의 제1 단부로부터 상기 몸체의 제2 단부를 향해 축 방향으로 연장되는 U 자형 립(U-shaped lip)을 포함하는 제1 가스 컨덕턴스 제한기(conductance limiter); 및
상기 몸체의 제2 단부와 연관되고, 상기 몸체의 제1 외측 직경으로부터 반경 방향 내측으로 연장되며, 씰(seal)을 수용하도록 구성된 표면을 가지며, 상기 표면은 상기 씰의 적어도 일부를 둘러싸도록 형성되는 제2 가스 컨덕턴스 제한기를 포함하되,
상기 U 자형 립은 상기 이온 소스의 라이너의 리세스(recess)와 정합하도록 구성되고, 갭(gap)이 상기 U 자형 립과 상기 라이너 사이에 규정되며, 상기 U 자형 립은 상기 갭으로의 가스 컨덕턴스를 감소시키는 캐소드 쉴드.
제1 항에 있어서,
상기 갭은 상기 캐소드 쉴드와 아크 챔버 몸체 내의 홀(hole) 사이에서 추가적으로 규정되는 캐소드 쉴드.
제1 항에 있어서,
상기 제2 가스 컨덕턴스 제한기는 상기 몸체의 제2 외측 직경에 의해 규정된 래비린드 씰(labyrinth seal)을 포함하고, 상기 씰은 질화 붕소(boron nitride) 씰을 포함하고, 상기 래비린드 씰은 상기 질화 붕소 씰을 수용하도록 구성된 캐소드 쉴드.
제3 항에 있어서,
상기 래비린드 씰은 상기 래비린드 씰과 관련된 영역으로 부식성 가스의 가스 컨덕턴스를 감소시킴으로써 상기 이온 소스와 관련된 부식성 가스로부터 상기 질화 붕소 씰과 관련된 씰링 표면을 보호하는 캐소드 쉴드.
이온 소스를 위한 아크 챔버(arc chamber)로서,
아크 챔버 몸체;
상기 아크 챔버 몸체의 내부 영역으로 연장하는 전극;
원통형이고 그 내부를 관통하여 규정된 축 방향 홀을 가지며, 상기 축 방향 홀은 그를 관통하는 전극을 통과시키도록 구성된 몸체; 상기 몸체의 제1 단부와 연관되고, 상기 몸체의 제1 외측 직경으로부터 반경 방향 외측으로 연장되며, 상기 몸체의 제1 단부로부터 상기 몸체의 제2 단부를 향해 축 방향으로 연장되는 U 자형 립을 포함하는 제1 가스 컨덕턴스 제한기; 및 상기 몸체의 제2 단부와 연관되고, 상기 몸체의 제1 외측 직경으로부터 반경 방향 내측으로 연장되며, 씰을 수용하도록 구성된 표면을 가지며, 상기 표면은 상기 씰의 적어도 일부를 둘러싸도록 형성되는 제2 가스 컨덕턴스 제한기를 포함하는 캐소드 쉴드; 및
상기 아크 챔버 몸체와 연관되고, 상기 캐소드 쉴드를 통과시키도록 구성된 개구부를 가지며, 내부에 규정된 리세스를 가지는 라이너(liner);를 포함하고, 갭이 상기 U 자형 립과 상기 라이너 사이에 규정되며, 상기 U 자형 립은 상기 갭 내부로의 가스의 컨덕턴스를 감소시키는 아크 챔버.
제5 항에 있어서,
상기 갭은 상기 캐소드 쉴드와 아크 챔버 몸체 내의 홀 사이에서 추가적으로 규정되는 아크 챔버.
제6 항에 있어서,
상기 제2 가스 컨덕턴스 제한기는 상기 몸체의 제2 외측 직경에 의해 규정된 래비린드 씰을 포함하는 아크 챔버.
제7 항에 있어서,
상기 씰은 상기 래비린드 씰과 상기 아크 챔버 몸체 사이에 배치된 질화 붕소 씰을 포함하며, 상기 질화 붕소 씰은 상기 아크 챔버 몸체로부터 상기 전극을 전기적으로 절연시키는 아크 챔버.
제8 항에 있어서,
상기 래비린드 씰은 상기 래비린드 씰과 관련된 영역으로 부식성 가스의 가스 컨덕턴스를 감소시킴으로써 상기 이온 소스와 관련된 부식성 가스로부터 상기 질화 붕소 씰과 관련된 씰링 표면을 보호하는 아크 챔버.
아크 챔버 몸체를 가지는 아크 챔버;
상기 아크 챔버 몸체의 내부 영역으로 연장하는 전극;
원통형이고 그 내부를 관통하여 규정된 축 방향 홀을 가지며, 상기 축 방향 홀은 그를 관통하는 전극을 통과시키도록 구성된 몸체; 상기 몸체의 제1 단부와 연관되고, 상기 몸체의 제1 외측 직경으로부터 반경 방향 외측으로 연장되며, 상기 몸체의 제1 단부로부터 상기 몸체의 제2 단부를 향해 축 방향으로 연장되는 U 자형 립을 포함하는 제1 가스 컨덕턴스 제한기; 및 상기 몸체의 제2 단부와 연관되고, 상기 몸체의 제1 외측 직경으로부터 반경 방향 내측으로 연장되며, 씰을 수용하도록 구성된 표면을 가지며, 상기 표면은 상기 씰의 적어도 일부를 둘러싸도록 형성되는 제2 가스 컨덕턴스 제한기를 포함하는 캐소드 쉴드; 및
상기 아크 챔버 몸체의 내부 영역으로 가스를 도입하도록 구성된 가스 소스; 및
상기 아크 챔버 몸체와 연관되고, 상기 캐소드 쉴드를 통과시키도록 구성된 개구부를 가지며, 내부에 규정된 리세스를 가지는 라이너;를 포함하고, 갭이 상기 U 자형 립과 상기 라이너 사이에 규정되며, 상기 U 자형 립은 상기 갭 내부로의 가스의 컨덕턴스를 감소시키는 이온 소스.
제10 항에 있어서,
상기 갭은 상기 캐소드 쉴드와 아크 챔버 몸체 내의 홀 사이에서 추가적으로 형성되는 이온 소스.
제11 항에 있어서,
상기 제2 가스 컨덕턴스 제한기는 상기 몸체의 제2 외측 직경에 의해 형성된 래비린드 씰을 포함하는 이온 소스.
제12 항에 있어서,
상기 씰은 상기 래비린드 씰과 상기 아크 챔버 몸체 사이에 배치된 질화 붕소 씰을 포함하며, 상기 질화 붕소 씰은 상기 아크 챔버 몸체로부터 상기 전극을 전기적으로 절연시키는 이온 소스.
제13 항에 있어서,
상기 래비린드 씰은 상기 래비린드 씰과 관련된 영역으로 부식성 가스의 가스 컨덕턴스를 감소시킴으로써 상기 이온 소스와 관련된 부식성 가스로부터 상기 질화 붕소 씰과 관련된 씰링 표면을 보호하는 이온 소스.
제10 항에 있어서,
리펠러(repeller); 및
아크 슬릿(arc slir)을 더 포함하는 이온 소스.
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