WO2013077555A1 - 전자 맴돌이 공명 이온원 장치 및 이의 인출 전류를 증가시키는 방법 - Google Patents

전자 맴돌이 공명 이온원 장치 및 이의 인출 전류를 증가시키는 방법 Download PDF

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WO2013077555A1
WO2013077555A1 PCT/KR2012/008586 KR2012008586W WO2013077555A1 WO 2013077555 A1 WO2013077555 A1 WO 2013077555A1 KR 2012008586 W KR2012008586 W KR 2012008586W WO 2013077555 A1 WO2013077555 A1 WO 2013077555A1
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magnetic field
plasma chamber
plasma
ion source
ecr
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PCT/KR2012/008586
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French (fr)
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이병섭
원미숙
윤장희
최세용
옥정우
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한국기초과학지원연구원
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    • H01J27/16—Ion sources; Ion guns using high-frequency excitation, e.g. microwave excitation
    • H01J27/18—Ion sources; Ion guns using high-frequency excitation, e.g. microwave excitation with an applied axial magnetic field
    • H—ELECTRICITY
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    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/02—Details
    • H01J37/04—Arrangements of electrodes and associated parts for generating or controlling the discharge, e.g. electron-optical arrangement, ion-optical arrangement
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    • H01J27/00—Ion beam tubes
    • H01J27/02—Ion sources; Ion guns

Definitions

  • Embodiments relate to methods of increasing the extraction current of an Electron Cyclotron Resonance (ECR) ion source device and an ECR ion source device.
  • ECR Electron Cyclotron Resonance
  • ECR electron cyclone resonance
  • the increase in microwave energy inevitably leads to a sharp increase in costs due to microwave sources.
  • a large number of electromagnets can be used to construct a large area of the ECR to realize an increase in the final draw current.
  • this method also involves an increase in cost due to the use of several expensive electromagnets. Therefore, the conventional ECR ion source device is not only difficult to industrial applications, but also limited to scientific applications such as accelerators.
  • a method of increasing the withdrawal currents of an electron cyclone resonance (ECR) ion source device and an ECR ion source device which improves industrial and / or scientific applicability by increasing the final withdrawal current.
  • ECR electron cyclone resonance
  • the plasma chamber is a plasma generation; A magnet unit for applying a magnetic field in the plasma chamber; A microwave generator for applying microwaves in the plasma chamber; An ion extracting unit configured to extract ions generated from the plasma from the plasma chamber by electron eddy resonance caused by the magnetic field and the microwave; And a magnetic field adjusting unit positioned inside or outside the plasma chamber and adjusting a magnitude of the magnetic field applied by the magnet unit.
  • a method of increasing the withdrawal current of an ECR ion source device includes: applying a magnetic field in a plasma chamber; Applying microwaves into the plasma chamber; Adjusting the magnitude of the magnetic field in the plasma chamber using one or more magnetic field regulating materials located inside or outside the plasma chamber; Generating a plasma in the plasma chamber; And extracting ions generated from the plasma from the plasma chamber by electron eddy resonance caused by the magnetic field and the microwave.
  • the method of increasing the withdrawal current of the electron eddy resonance (ECR) ion source device and the ECR ion source device it is possible to affect the magnetic field inside and / or outside the plasma chamber By installing the material and adjusting its position, the ECR area can be easily expanded.
  • the volume of microwave energy transmitted to the generated plasma is reduced as much as the material occupies a space inside the plasma chamber. Energy can be increased efficiently.
  • ECR Electron Cyclotron Resonance
  • ECR Electron Cyclotron Resonance
  • an ECR ion source device includes a plasma chamber 1, a magnet part 2, a microwave generator 3, an ion extracting part 4, and a magnetic field control part 5. can do.
  • Plasma is generated from the reaction gas injected into the plasma chamber 1, and electrons in the plasma are heated by a resonance phenomenon of a magnetic field applied by the magnet part 2 and a high frequency electromagnetic field applied by the microwave generator 3.
  • the multi-charged ions may be generated by the heated electrons.
  • the generated ions may be selectively extracted and integrated in the form of an ion beam.
  • FIG. 1 shows a cross section of each component of an ECR ion source device according to one embodiment, where each component of the actual ECR ion source device has at least partially any cross section as shown in FIG. 1. It may have a three-dimensional shape.
  • each part of the plasma chamber 1, the magnet part 2, the ion extracting part 4, and the magnetic field control part 5 may be in the shape of a hollow ring or cylinder having a cross section shown in FIG. 1.
  • this is exemplary and each component of the ECR ion source device according to an embodiment is not limited to having a specific shape or form.
  • the plasma chamber 1 may include a source inlet 11, a microwave inlet 12, and an ion outlet 13. Reaction gas for plasma generation may be injected into the plasma chamber 1 through the source injection hole 11.
  • Reaction gas for plasma generation may be injected into the plasma chamber 1 through the source injection hole 11.
  • various materials capable of generating plasma may be used.
  • argon (Ar) or xenon (Xe) gas may be used as the reaction gas, but is not limited thereto.
  • the source injection hole 11 may be used to adjust the degree of vacuum in the plasma chamber (1).
  • the source inlet 11 may be connected to a vacuum pump (not shown) or the like and used to exhaust the gas in the plasma chamber 1.
  • the degree of vacuum in the plasma chamber 1 may be appropriately determined to the extent that an ECR plasma can be generated according to the type of reaction gas.
  • the microwave injection hole 12 may be aligned with the microwave generator 3 as a portion to which microwaves are irradiated.
  • the ion extractor 13 may be connected to the ion extractor 4 as a portion where ions are extracted from the plasma chamber 1.
  • the magnet part 2 may include a mirror magnet 21, a correction magnet 22, and a pole magnet 23.
  • the mirror magnets 21 may be located at both ends of the space for generating the ECR plasma, and the pole magnets 23 may be located between the two mirror magnets 21. Electrons can be trapped in the plasma chamber 1 by the mirror magnetic field applied by the mirror magnet 21 and the magnetic field applied by the pole magnet 23.
  • the correction magnet 22 may be configured to be positioned adjacent to the point where the size of the mirror magnetic field is minimum to adjust the size of the minimum magnetic field in the plasma chamber 1.
  • the correction magnet 22 may be configured to adjust the magnitude of the magnetic field applied by the correction magnet 22 without changing the structure.
  • the correction magnet 22 may be made of an electromagnet or the like that can adjust the magnetic field in software.
  • each magnet 21, 22, 23 of the magnet part 2 has a rectangular cross section and is positioned surrounding the plasma chamber 1.
  • each of the magnets 21, 22, and 23 may have a hollow ring shape, and the plasma chamber 1 may be disposed at an empty center portion of each of the magnets 21, 22, and 23.
  • the mirror magnet 21 and the correction magnet 22 may be in the form of a solenoid, and the pole magnet 23 may be made of six combinations of magnets in the form of racetracks.
  • each magnet 21, 22, 23 may have another suitable shape capable of applying a magnetic field in the plasma chamber 1.
  • the microwave generator 3 is a device for generating microwaves and injecting them into the plasma chamber 1.
  • the microwave generator 3 may include an oscillator such as a magnetron or a gyrotron.
  • the microwave generator 3 may apply microwaves to the reaction gas in the plasma chamber 1 through the microwave injection hole 13 of the plasma chamber 1.
  • electron eddy resonance may occur to generate polyvalent ions from the plasma.
  • the ion extractor 4 may include a primary electrode 41, a secondary electrode 42, and an extracting electrode 43.
  • the primary electrode 41 may serve to control and integrate the plasma generated with the ions generated in the plasma chamber 1, and the secondary electrode 42 may serve to accelerate the generated ions.
  • the extraction electrode 43 may serve to take out the accelerated ions and output them in the form of an ion beam.
  • the primary electrode 41 may be coupled to the ion outlet 13 of the plasma chamber 1.
  • the ion extracting portion 4 may include an insulating portion 44 for electrically separating the electrodes 41, 42, and 43.
  • the primary electrode 41 may be electrically connected to the plasma chamber 1.
  • the ion extractor 4 may further include a first lead 45 and a first power source 46.
  • the second electrode 42 and the first power source 46 may be electrically connected by the first lead 45, and power for ion acceleration may be applied to the secondary electrode 42 from the first power source 46.
  • the ion extracting unit 4 may further include a second lead 47 and a second power source 48.
  • the lead electrode 43 and the second power source 48 may be electrically connected by the second lead 47.
  • the second power source 48 may be a ground source, and as a result, the lead electrode 43 may be in a ground state.
  • the magnetic field control unit 5 is a portion for expanding the ECR region by adjusting the magnetic field applied by the magnet unit 2.
  • the magnetic field regulating section 5 may comprise a magnetic field regulating material.
  • the magnetic field regulating material may be any material that can be magnetized by a magnetic field applied by the magnet portion 2 to serve to increase the magnetic field size.
  • the magnetic field regulating material may be magnetic or ferromagnetic.
  • the magnetic field regulator 5 may include one or more different magnetic field regulating materials, or may be made of a material in which various other materials such as magnetic field regulating materials and nonmagnetic materials are mixed.
  • the magnetic field controller 5 may include a first controller 51 and a second controller 52.
  • the first control unit 51 may be located inside the plasma chamber 1, and the second control unit 52 may be located outside the plasma chamber 1.
  • the second adjusting unit 52 located outside the plasma chamber 1 may be located adjacent to the plasma chamber 1 as compared to the magnet unit 2, and may also be located inside the magnet unit 2. That is, the second adjusting unit 52 may be located between the plasma chamber 1 and the pole magnet 23 or may be located inside the magnet unit 2 outside the plasma chamber 1.
  • the second adjuster 52 may be disposed at a location far from the plasma chamber 1 as compared to the polar magnet 23.
  • the magnetic field controller 5 includes both a first regulator 51 inside the plasma chamber 1 and a second regulator 52 outside the plasma chamber 1.
  • the magnetic field controller 5 may include only one controller that is located inside or outside the plasma chamber 1.
  • the portion moved in the circumferential direction from the center of the plasma chamber 1 toward the magnet portion 2 corresponds to the ECR region, and the ion density is high in the region.
  • the ECR region where ions are present at high density Embodiments of the present invention are configured to expand the magnetic field area capable of generating an ECR by adjusting the magnitude of the magnetic field in the plasma chamber 1 by the magnetic field adjusting unit 5, and consequently, expand the ECR region to expand the ECR region.
  • the extraction current of the ion source device can be increased.
  • the first adjusting unit 51 may function to reinforce a hexapole magnetic field similarly to a conventional insertion yoke pole.
  • the microwave energy for the plasma in the plasma chamber 1 is increased by the second control unit 52 taking up the space in the plasma chamber 1.
  • the delivery volume is reduced. Therefore, there is an advantage that can increase the microwave energy delivered to the unit volume of the plasma in the plasma chamber (1).
  • the second control unit 52 may be divided into three or different number of pieces to be inserted into the plasma chamber 1 to prevent or minimize damage by the plasma generated in the hexapole shape.
  • the first adjustment unit 51 is configured to include a control unit (not shown) in which the magnetic field regulating material 53 is inserted at one or more positions and for adjusting the position of the inserted magnetic field regulating material 53. Can be.
  • the second adjuster 52 also includes a control (not shown) in which the magnetic field regulating material 54 is inserted at one or more positions and for adjusting the position of the inserted magnetic field regulating material 54. Can be.
  • Position control of the magnetic field regulating material 53, 54 may be performed automatically or manually.
  • the first adjusting unit 51, the second adjusting unit 52, and the magnetic field adjusting materials 53 and 54 inserted therein may be organically altered, combined, integrated and / or replaced with each other.
  • the method of increasing the current of the ECR ion source device may be performed by the ECR ion source device described above with reference to FIG. 1. That is, the plasma can be generated from the reaction gas injected into the plasma chamber 1 while applying a magnetic field and microwaves to the plasma chamber 1. At this time, by using at least one magnetic field adjusting material included in the magnetic field adjusting portion 5, it is possible to adjust the size of the magnetic field applied by the magnet portion (2). As a result, the area of the ECR generated by the magnetic field and the microwave can be expanded, and the ions generated from the plasma can be increased. Since the generated ions are integrated and withdrawn in the form of a beam from the plasma chamber 1, as a result, the extraction current of the ECR ion source device can be increased by the magnetic field controller 5.
  • Embodiments relate to methods of increasing the extraction current of an Electron Cyclotron Resonance (ECR) ion source device and an ECR ion source device.
  • ECR Electron Cyclotron Resonance

Landscapes

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Abstract

전자 맴돌이 공명(Electron Cyclotron Resonance; ECR) 이온원 장치는, 플라즈마가 발생되는 플라즈마 챔버; 상기 플라즈마 챔버 내에 자기장을 인가하는 자석부; 상기 플라즈마 챔버 내에 마이크로파를 인가하는 마이크로파 발생부; 상기 자기장 및 상기 마이크로파에 의한 전자 맴돌이 공명에 의하여 상기 플라즈마로부터 발생된 이온을 상기 플라즈마 챔버로부터 인출하는 이온 인출부; 및 상기 플라즈마 챔버의 내부 또는 외부에 위치하며, 상기 자석부에 의해 인가되는 자기장의 크기를 조정하는 자기장 조절부를 포함할 수 있다. 상기 ECR 이온원 장치는 플라즈마 챔버 내부 및/또는 외부에 위치하는 자기장 조절 재료에 의하여 ECR 영역을 확장시킬 수 있는 이점이 있다.

Description

전자 맴돌이 공명 이온원 장치 및 이의 인출 전류를 증가시키는 방법
실시예들은 전자 맴돌이 공명(Electron Cyclotron Resonance; ECR) 이온원 장치 및 ECR 이온원 장치의 인출 전류를 증가시키는 방법에 관한 것이다.
일반적으로 이온원 장치가 필요한 여러 응용 장치에 있어 상대적으로 저렴한 비용으로 요구되는 이온을 발생시킬 수 있는 전자 맴돌이 공명(Electron Cyclotron Resonance; ECR) 이온원 장치가 여러 응용 분야에서 사용되고 있다. 일 예로, 대한민국 등록특허공보 10-0927995호에는 자기장 및 마이크로파를 이용한 ECR 현상에 의하여 이온을 발생시키는 ECR 이온원 장치가 개시된다.
이러한 ECR 이온원 장치에 있어서, ECR 이온원 장치의 최종 인출 전류를 증가시키는 것은 산업적 또는 과학적 응용을 위해 매우 중요한 일이다. 최종 인출 전류를 증가시키기 위하여 그 동안 마이크로파 에너지를 높이는 방법, ECR 영역을 증가시키는 방법, 또는 플라즈마 챔버에 인가되는 전압을 적절히 조절하거나 인출 전극을 개선하는 방법 등 다양한 노력이 있어 왔다.
그러나, 산업적 응용을 위하여 구현된 장치에서는, 마이크로파 에너지를 높이는 경우 마이크로파 발생원으로 인한 비용의 급격한 증대를 피할 수 없게 된다. 그 대신 전자석을 여러 개 사용함으로써 ECR 영역을 대면적으로 구성하여 최종 인출 전류의 증가를 실현하는 방법이 있으나, 이 방법 역시 고가의 전자석을 여러 개 사용하는 것으로 인한 비용의 증대가 수반된다. 따라서, 종래의 ECR 이온원 장치는 산업적 응용이 어려울 뿐만 아니라 가속기 등 과학적 응용에도 제한적일 수 밖에 없는 문제점이 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 최종 인출 전류를 증가시킴으로써 산업적 및/또는 과학적 응용 가능성을 향상시킨 전자 맴돌이 공명(Electron Cyclotron Resonance; ECR) 이온원 장치 및 ECR 이온원 장치의 인출 전류를 증가시키는 방법을 제공할 수 있다.
일 실시예에 따른 전자 맴돌이 공명(Electron Cyclotron Resonance; ECR) 이온원 장치는, 플라즈마가 발생되는 플라즈마 챔버; 상기 플라즈마 챔버 내에 자기장을 인가하는 자석부; 상기 플라즈마 챔버 내에 마이크로파를 인가하는 마이크로파 발생부; 상기 자기장 및 상기 마이크로파에 의한 전자 맴돌이 공명에 의하여 상기 플라즈마로부터 발생된 이온을 상기 플라즈마 챔버로부터 인출하는 이온 인출부; 및 상기 플라즈마 챔버의 내부 또는 외부에 위치하며, 상기 자석부에 의해 인가되는 자기장의 크기를 조정하는 자기장 조절부를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 ECR 이온원 장치의 인출 전류를 증가시키는 방법은, 플라즈마 챔버 내에 자기장을 인가하는 단계; 상기 플라즈마 챔버 내에 마이크로파를 인가하는 단계; 상기 플라즈마 챔버 내부 또는 외부에 위치하는 하나 이상의 자기장 조절 재료를 이용하여 상기 플라즈마 챔버 내의 자기장의 크기를 조정하는 단계; 상기 플라즈마 챔버 내에 플라즈마를 발생시키는 단계; 및 상기 자기장 및 상기 마이크로파에 의한 전자 맴돌이 공명에 의하여 상기 플라즈마로부터 발생된 이온을 상기 플라즈마 챔버로부터 인출하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 전자 맴돌이 공명(Electron Cyclotron Resonance; ECR) 이온원 장치 및 ECR 이온원 장치의 인출 전류를 증가시키는 방법에 의하면, 플라즈마 챔버 내부 및/또는 외부에 자기장에 영향을 줄 수 있는 재료를 설치하고 그 위치를 조절함으로써 ECR 영역을 용이한 방법으로 확장할 수 있다. 또한, 자기장에 영향을 줄 수 있는 재료가 플라즈마 챔버 내부에 설치되는 경우에는, 상기 재료가 플라즈마 챔버 내부의 공간을 차지하는 만큼 생성된 플라즈마에 대한 마이크로파 에너지의 전달 체적이 감소되므로, 플라즈마에 전달되는 마이크로파 에너지를 효율적으로 증가시킬 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 전자 맴돌이 공명(Electron Cyclotron Resonance; ECR) 이온원 장치의 개략적인 단면도이다.
이하에서, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대하여 상세히 살펴본다.
도 1은 일 실시예에 따른 전자 맴돌이 공명(Electron Cyclotron Resonance; ECR) 이온원 장치의 개략도이다.
도 1을 참조하면, 일 실시예에 따른 ECR 이온원 장치는 플라즈마 챔버(1), 자석부(2), 마이크로파 발생부(3), 이온 인출부(4) 및 자기장 조절부(5)를 포함할 수 있다. 플라즈마 챔버(1) 내에 주입된 반응 기체로부터 플라즈마가 발생되며, 자석부(2)에 의해 인가되는 자기장 및 마이크로파 발생부(3)에 의해 인가되는 고주파 전자기장의 공명 현상에 의하여 플라즈마 내의 전자가 가열되고, 가열된 전자에 의하여 다가 이온(multi-charged ion)이 생성될 수 있다. 이온 인출부(4)에서는 생성된 이온들을 선택적으로 인출하고 이온 빔의 형태로 집적할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 ECR 이온원 장치의 각각의 구성요소의 단면을 도시한 것으로서, 실제 ECR 이온원 장치의 각각의 구성요소는 적어도 부분적으로 도 1에 도시된 것과 같은 단면을 갖는 임의의 입체적 형상을 가질 수 있다. 예컨대, 플라즈마 챔버(1), 자석부(2), 이온 인출부(4) 및 자기장 조절부(5)의 각 부분은 도 1에 도시된 단면을 갖는 속이 빈 링 또는 실린더의 형상일 수 있다. 그러나 이는 예시적인 것으로서, 일 실시예에 따른 ECR 이온원 장치의 각 구성요소는 특정 형상 또는 형태를 갖는 것으로 한정되지 않는다.
플라즈마 챔버(1)는 소스 주입구(11), 마이크로파 주입구(12) 및 이온 인출구(13)를 포함할 수 있다. 소스 주입구(11)를 통해 플라즈마 발생을 위한 반응 기체가 플라즈마 챔버(1) 내로 주입될 수 있다. 소스 주입부(11)를 통해 주입되는 반응 기체로는 플라즈마를 발생시킬 수 있는 다양한 물질이 사용될 수 있다. 예컨대, 아르곤(Ar) 또는 크세논(Xe) 기체가 반응 기체로 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 소스 주입구(11)는 플라즈마 챔버(1) 내의 진공 정도를 조절하기 위하여 사용될 수도 있다. 예컨대, 소스 주입구(11)는 진공 펌프(미도시) 등에 연결되어 플라즈마 챔버(1) 내의 기체를 배기하도록 사용될 수도 있다. 플라즈마 챔버(1) 내의 진공도는 반응 기체의 종류에 따라 ECR 플라즈마를 일으킬 수 있는 정도로 적절히 결정될 수 있다. 마이크로파 주입구(12)는 마이크로파가 조사될 부분으로서 마이크로파 발생부(3)와 정렬될 수 있다. 또한, 이온 인출구(13)는 플라즈마 챔버(1)로부터 이온이 인출되는 부분으로서 이온 인출부(4)와 연결될 수 있다.
자석부(2)는 미러 자석(21), 보정 자석(22) 및 극 자석(23)을 포함할 수 있다. 미러 자석(21)은 ECR 플라즈마를 발생시키고자 하는 공간의 양단에 위치할 수 있으며, 극 자석(23)은 양 미러 자석(21)의 사이에 위치할 수 있다. 미러 자석(21)에 의해 인가되는 미러 자기장 및 극 자석(23)에 의해 인가되는 자기장에 의해 전자가 플라즈마 챔버(1) 내에 가두어질 수 있다. 보정 자석(22)은 미러 자기장의 크기가 최소가 되는 지점에 인접하여 위치하여 플라즈마 챔버(1) 내의 최소 자기장의 크기를 조절하도록 구성될 수 있다. 보정 자석(22)은 구조의 변경 없이 보정 자석(22)에 의해 인가되는 자기장의 크기를 조절할 수 있도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 보정 자석(22)은 소프트웨어적으로 자기장의 조절이 가능한 전자석 등으로 이루어질 수 있다.
도 1에서 자석부(2)의 각 자석(21, 22, 23)은 사각형 형상의 단면을 가지며 플라즈마 챔버(1)를 둘러싸고 위치한다. 예컨대, 각 자석(21, 22, 23)은 속이 빈 고리 형상일 수 있으며, 각 자석(21, 22, 23)의 비어있는 중심 부분에 플라즈마 챔버(1)가 배치될 수 있다. 예컨대, 미러 자석(21)과 보정 자석(22)은 솔레노이드(solenoid) 형태일 수도 있고, 극 자석(23)은 레이스트랙(Racetrack) 형태의 자석의 6개 조합체로 이루어 질 수 있다. 그러나 이는 예시적인 것으로서, 각 자석(21, 22, 23)은 플라즈마 챔버(1) 내에 자기장을 인가할 수 있는 다른 적절한 형상을 가질 수도 있다.
마이크로파 발생부(3)는 마이크로파를 발생시켜 플라즈마 챔버(1) 내로 주입하기 위한 장치이다. 예컨대, 마이크로파 발생부(3)는 마그네트론(magnetron) 또는 자이로트론(gyrotron) 등의 발진기를 포함할 수 있다. 마이크로파 발생부(3)는 플라즈마 챔버(1)의 마이크로파 주입구(13)를 통해 플라즈마 챔버(1) 내의 반응 기체에 마이크로파를 인가할 수 있다. 적절한 자기장 및 기체 분위기에서 플라즈마 챔버(1) 내의 반응 기체에 마이크로파가 인가되면, 전자 맴돌이 공명 현상이 일어나 플라즈마로부터 다가 이온이 생성될 수 있다.
이온 인출부(4)는 1차 전극(41), 2차 전극(42) 및 인출 전극(43)을 포함할 수 있다. 1차 전극(41)은 플라즈마 챔버(1) 내에 생성된 이온과 플라즈마를 제어하고 집적하는 역할을 할 수 있으며, 2차 전극(42)은 생성된 이온을 가속하는 역할을 할 수 있다. 또한, 인출 전극(43)은 가속된 이온들을 인출하여 이온 빔의 형태로 출력하는 역할을 할 수 있다. 1차 전극(41)은 플라즈마 챔버(1)의 이온 인출구(13)에 결합될 수 있다. 이온 인출부(4)는 각 전극(41, 42, 43)을 전기적으로 분리하기 위한 절연부(44)를 포함할 수도 있다.
또한, 1차 전극(41)은 플라즈마 챔버(1)와 전기적으로 연결될 수도 있다. 이온 인출부(4)는 제1 리드(45) 및 제1 전원(46)을 더 포함할 수도 있다. 제1 리드(45)에 의해 2차 전극(42)과 제1 전원(46)을 전기적으로 연결하고, 제1 전원(46)으로부터 2차 전극(42)에 이온 가속을 위한 전력을 인가할 수 있다. 또한, 이온 인출부(4)는 제2 리드(47)와 제2 전원(48)을 더 포함할 수도 있다. 제2 리드(47)에 의해 인출 전극(43)과 제2 전원(48)을 전기적으로 연결할 수 있다. 이때, 제2 전원(48)은 접지 소스일 수 있으며, 그 결과 인출 전극(43)은 접지 상태일 수 있다.
자기장 조절부(5)는 자석부(2)에 의해 인가되는 자기장을 조절하여 ECR 영역을 확장시키기 위한 부분이다. 자기장 조절부(5)는 자기장 조절 재료를 포함하여 이루어질 수 있다. 자기장 조절 재료는 자석부(2)에 의해 인가되는 자기장에 의하여 자화되어 자기장 크기를 증가시키는 역할을 할 수 있는 임의의 물질일 수 있다. 예컨대, 자기장 조절 재료는 자성체 또는 강자성체일 수 있다. 또한, 자기장 조절부(5)는 하나 이상의 상이한 자기장 조절 재료를 포함할 수도 있으며, 자기장 조절 재료와 비자성체 등 다른 여러 물질이 혼합된 재료로 이루어질 수도 있다.
자기장 조절부(5)는 제1 조절부(51) 및 제2 조절부(52)를 포함할 수 있다. 제1 조절부(51)는 플라즈마 챔버(1) 내부에 위치할 수 있으며, 제2 조절부(52)는 플라즈마 챔버(1) 외부에 위치할 수 있다. 플라즈마 챔버(1) 외부에 위치하는 제2 조절부(52)는 자석부(2)에 비하여 플라즈마 챔버(1)에 인접하여 위치할 수 있고 자석부(2)의 내부에도 위치할 수도 있다. 즉, 플라즈마 챔버(1)와 극 자석(23) 사이에 제2 조절부(52)가 위치할 수도 있고 플라즈마 챔버(1) 외부에 자석부(2)의 내부에도 위치할 수도 있다. 그러나 이는 예시적인 것으로서, 다른 실시예에서 제2 조절부(52)는 극 자석(23)에 비하여 플라즈마 챔버(1)로부터 먼 위치에 배치될 수도 있다.
도 1에 도시된 실시예에서 자기장 조절부(5)는 플라즈마 챔버(1) 내부의 제1 조절부(51) 및 플라즈마 챔버(1) 외부의 제2 조절부(52)를 모두 포함한다. 그러나 이는 예시적인 것으로서, 다른 실시예에서 자기장 조절부(5)는 플라즈마 챔버(1)의 내부 또는 외부에 위치하는 어느 하나의 조절부만을 포함하여 구성될 수도 있다.
ECR 이온원 장치에 있어서, 플라즈마 챔버(1)의 중심으로부터 자석부(2)를 향한 외주 방향으로 이동된 부위가 ECR 영역에 해당하며 해당 영역에서 이온 밀도가 높게 나타난다. ECR 이온원 장치의 응용을 위하여 보다 많은 이온을 인출하기 위해서는, 이온이 높은 밀도로 존재하는 ECR 영역을 확장시킬 필요가 있다. 본 발명의 실시예들은, 자기장 조절부(5)에 의하여 플라즈마 챔버(1) 내의 자기장의 크기를 조정함으로써 ECR을 발생시킬 수 있는 자기장 면적을 확장시키도록 구성되며, 그 결과 ECR 영역을 확장시켜 ECR 이온원 장치의 인출 전류를 증가시킬 수 있다.
플라즈마 챔버(1) 외부에 위치하는 제1 조절부(51)의 경우, 종래의 삽입 요크(yoke) 폴(pole)과 유사하게 헥사폴(hexapole) 자기장을 보강하는 기능을 할 수도 있다. 또한 플라즈마 챔버(1) 내부에 위치하는 제2 조절부(52)의 경우, 제2 조절부(52)가 플라즈마 챔버(1) 내의 공간을 차지하는 만큼 플라즈마 챔버(1) 내의 플라즈마에 대한 마이크로파 에너지의 전달 체적이 감소된다. 따라서, 플라즈마 챔버(1) 내의 플라즈마의 단위 체적에 전달되는 마이크로파 에너지를 증가시킬 수 있는 이점이 있다. 한편, 제2 조절부(52)는 헥사폴 형상으로 발생되는 플라즈마에 의한 손상을 방지 또는 최소화하도록 3개 또는 상이한 개수의 조각으로 나뉘어져 플라즈마 챔버(1) 내에 삽입될 수도 있다.
일 실시예에서, 제1 조절부(51)는 자기장 조절 재료(53)가 하나 이상의 위치에 삽입되어 있으며 삽입된 자기장 조절 재료(53)의 위치를 조절하기 위한 제어부(미도시)를 포함하여 구성될 수 있다. 이와 유사하게, 제2 조절부(52)는 또한 자기장 조절 재료(54)가 하나 이상의 위치에 삽입되어 있으며 삽입된 자기장 조절 재료(54)의 위치를 조절하기 위한 제어부(미도시)를 포함하여 구성될 수 있다.
플라즈마 챔버(1) 내의 자기장에 따라 자기장 조절 재료(53, 54)의 위치를 적절한 위치로 조절함으로써, 자기장 조절부(5)에 의한 자기장 증가 효과를 더욱 향상시킬 수 있다. 자기장 조절 재료(53, 54)의 위치 제어는 자동 또는 수동으로 수행될 수 있다. 또한, 제1 조절부(51), 제2 조절부(52) 및 이들에 삽입된 자기장 조절 재료(53, 54)는 서로 유기적으로 변경, 조합, 통합 및/또는 교체되어 사용될 수 있다.
일 실시예에 따른 ECR 이온원 장치의 전류를 증가시키는 방법은 도 1을 참조하여 전술한 ECR 이온원 장치에 의하여 수행될 수 있다. 즉, 플라즈마 챔버(1)에 자기장 및 마이크로파를 인가하면서 플라즈마 챔버(1) 내에 주입된 반응 기체로부터 플라즈마를 발생시킬 수 있다. 이때, 자기장 조절부(5)에 포함된 하나 이상의 자기장 조절 재료를 이용함으로써, 자석부(2)에 의하여 인가되는 자기장의 크기를 조정할 수 있다. 그 결과, 자기장 및 마이크로파로 인해 발생되는 ECR의 영역을 확장시킬 수 있으며, 플라즈마로부터 생성된 이온을 증가시킬 수 있다. 생성된 이온들은 플라즈마 챔버(1)로부터 빔 형태로 집적되어 인출되므로, 결과적으로 자기장 조절부(5)에 의하여 ECR 이온원 장치의 인출 전류를 증가시킬 수 있다.
이상에서 살펴본 본 발명은 도면에 도시된 실시예들을 참고로 하여 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 실시예의 변형이 가능하다는 점을 이해할 것이다. 그러나, 이와 같은 변형은 본 발명의 기술적 보호범위 내에 있다고 보아야 한다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해서 정해져야 할 것이다.
실시예들은 전자 맴돌이 공명(Electron Cyclotron Resonance; ECR) 이온원 장치 및 ECR 이온원 장치의 인출 전류를 증가시키는 방법에 관한 것이다.

Claims (7)

  1. 플라즈마가 발생되는 플라즈마 챔버;
    상기 플라즈마 챔버 내에 자기장을 인가하는 자석부;
    상기 플라즈마 챔버 내에 마이크로파를 인가하는 마이크로파 발생부;
    상기 자기장 및 상기 마이크로파에 의한 전자 맴돌이 공명에 의하여 상기 플라즈마로부터 발생된 이온을 상기 플라즈마 챔버로부터 인출하는 이온 인출부; 및
    상기 플라즈마 챔버의 내부 또는 외부에 위치하며, 상기 자석부에 의해 인가되는 자기장의 크기를 조정하는 자기장 조절부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 맴돌이 공명 이온원 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 자기장 조절부는,
    하나 이상의 자기장 조절 재료; 및
    상기 하나 이상의 자기장 조절 재료의 위치를 제어하기 위한 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 맴돌이 공명 이온원 장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 자기장 조절 재료는 자성체 또는 강자성체를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 맴돌이 공명 이온원 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 자기장 조절부는,
    상기 플라즈마 챔버 내부에 위치하는 제1 조절부; 및
    상기 플라즈마 챔버 외부에 위치하는 제2 조절부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 맴돌이 공명 이온원 장치.
  5. 플라즈마 챔버 내에 자기장을 인가하는 단계;
    상기 플라즈마 챔버 내에 마이크로파를 인가하는 단계;
    상기 플라즈마 챔버 내부 또는 외부에 위치하는 하나 이상의 자기장 조절 재료를 이용하여 상기 플라즈마 챔버 내의 자기장의 크기를 조정하는 단계;
    상기 플라즈마 챔버 내에 플라즈마를 발생시키는 단계; 및
    상기 자기장 및 상기 마이크로파에 의한 전자 맴돌이 공명에 의하여 상기 플라즈마로부터 발생된 이온을 상기 플라즈마 챔버로부터 인출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 맴돌이 공명 이온원 장치의 인출 전류를 증가시키는 방법.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 자기장의 크기를 조정하는 단계는, 상기 자기장 조절 재료의 위치를 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 맴돌이 공명 이온원 장치의 인출 전류를 증가시키는 방법.
  7. 제 5항에 있어서,
    상기 자기장 조절 재료는 자성체 또는 강자성체를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 맴돌이 공명 이온원 장치의 인출 전류를 증가시키는 방법.
PCT/KR2012/008586 2011-11-25 2012-10-19 전자 맴돌이 공명 이온원 장치 및 이의 인출 전류를 증가시키는 방법 WO2013077555A1 (ko)

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