[논문]다개구 이온빔 가공장치용 냉음극 방식의 가스 이온원의 가능성 평가에 관한 연구

최성창; 강인철; 한재길; 김태곤; 민병권

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The cold hollow cathode gas ion source is under development for multi aperture focused ion beam (FIB) system. In this paper, we describe the cold hollow cathode ion source design and the general ion source performance using Ar gas. The glow discharge characteristics and the ion beam current density ...

The cold hollow cathode gas ion source is under development for multi aperture focused ion beam (FIB) system. In this paper, we describe the cold hollow cathode ion source design and the general ion source performance using Ar gas. The glow discharge characteristics and the ion beam current density at various operation conditions are investigated. This ion source can generate maximum ion beam current density of approximately 120 mA/$cm^2$ at ion beam potential of 10 kV. In order to effectively transport the energetic ions generated from the ion source to the multi-aperture focused ion beam(FIB) system, the einzel lens system for ion beam focusing is designed and evaluated. The ions ejected from the ion source can be forced to move near parallel to the beam axis by adjusting the potentials of the einzel lenses.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

장비 가격이 저렴한 장점이 있다. 본 연구에서는 cold hollow cathode ion source 가 다개구 방식의 이온빔 가공 시스템의 가스 이온원으로서 가능성을 평가하고자 연구를 진행하였다.

제안 방법

이렇게 방사형으로 방출되는 이온빔을 모아서 평행한 형태로 다개구 정전형 이온광학 시스템의 입구로 전달하기 위하여 einzel lens assembly 를 Fig. 5(a) 에 보는 것과 같이 Simion code 를 통한 전사 모사를 통하여 검증하고 이를 바탕으로 설계 제작하여 설치하였다. Fig.
이러한 이온빔 집속 효과를 검증하기 위하여 einzel lens assembly 의 가장 우즉에 위치한 마지막 접지 전극에서 40mm 떨어진 곳에 직경 1mm 의개구를 가지는 Faraday cup 을 마이크로 메타가 장착된 x-y-z 스테이지에 연결하여 설치하고 X 축 방향으로 이동하면서 이온빔에 의한 전류의 변화를 측정하였다. Fig.
(g)}를 직경 2mm 로 제작하였다. 이온 인출개구의 크기가 커지면 이온빔의 전체 전류 세기는 증가하나, 이온빔 밀도가 증가하는 것은 아니며, 또한 einzel lens 를 사용하여 빔을 집속할 경우에도 인출 개구 크기 이하로 줄이기 어렵기 때문에다개구가 형성된 영역의 크기와 동일한 크기로 제작하였다. 이온원으로부터 2mm 개구를 통하여 방출되는 이온의 양을 측정하기 위하여 개구로부터 20 mm 상단에 Faraday cup 을 설치 하였으며 Faraday cup 은 -27V 전압을 인가하여 이차 전자에 의한 전류를 방지하였다.
이온 인출개구의 크기가 커지면 이온빔의 전체 전류 세기는 증가하나, 이온빔 밀도가 증가하는 것은 아니며, 또한 einzel lens 를 사용하여 빔을 집속할 경우에도 인출 개구 크기 이하로 줄이기 어렵기 때문에다개구가 형성된 영역의 크기와 동일한 크기로 제작하였다. 이온원으로부터 2mm 개구를 통하여 방출되는 이온의 양을 측정하기 위하여 개구로부터 20 mm 상단에 Faraday cup 을 설치 하였으며 Faraday cup 은 -27V 전압을 인가하여 이차 전자에 의한 전류를 방지하였다.

성능/효과

다중빔 방식의 이온 가공장비의 가스 이온 원으로 사용하기 위하여 plasmatron 방식의 cold hollow ca버ode 이온원을 개발하였다' 개발된 이온원은 10 kV 까지 가속이 가능하였으며 직경 2 mm 크기의 이온빔 인출 개구를 통하여 최대 120 mA/cm² 의 이온빔 전류 밀도를 얻을 수 있어 기존에 가스 이온 원으로서 주목 받고 있는 rf 이온원과 유사한 성능을 보여주었다. 인출된 이온빔을 다개구 이온 광학 렌즈 시스템에 효과적으로 전달하기 위하여 einzel lens assembly 를 제작 평 가한 결과, 집 속 전위를 증가시킴에 따라 중심지점에서 이온빔 밀도가 증가하다가 최고 값에 도달한 후 급격히 감소하는 경향이 관찰되었으며, 이온빔이 균일하게 조사되는 면적은 중심에서 이온빔 밀도가 최대가 되는 집 속 전위보다 조금 높은 전위가 인가되었을 때 최대가 되었으며 95% 의 균일도를 나타내는 영역의 크기는 대략 직경 1.
3 에서 보듯이 Pw 가 낮을수록 동일한 _Id를 얻기 위하여 더 높은 _Vd가 인가되어야 하는데 Vd 는 cathode cavity 에서 플라즈마를 발생시키기 위한 포텐셜이지만 실제로는 cathode cavity 에서 발생된 플라즈마에서 전자를 인줄 하여 anode cavity 로 이동시켜주는 포텐셜 에너지로 작동하기 때문에, Vd 가 높을수록 더 많은 빠른 전자가 anode cavity 쪽으로 이동하기 때문에 anode cavity 에서 플라즈마 밀도를 상승시켜 인출되는 이온빔 전류 밀도를 상승시킨다. 본 연구에서 획득한 최고 전류밀도는 Pw = 2x10° Torr, Id = 3000 mA, Vi =10 kV 일 때 120 mA/cn? 로 통상적 으로 다중빔 방식의 이온 가공장비의 이온원으로 사용하고자 하는 RF 이온원의 경우 가속전압이 10 kV 내외인 경우 전류밀도가 30-200 mA/cm² 정도로 보고 되고 있어 贝_{1, 12}다중빔 방식의 이온 가공 장비의 이온원으로 가능성을 확인할 수 있었다.
Vf 를 조금 더 증가시킬 경우 이온빔 밀도는 급격히 감소하게 되는데 이는 집 속전 극에 인가된 포텐셜이 이온빔에 대하여 베리어역할을 하기 때문에 이온원 내부에서 발생된 이온들은 집속 포텐셜을 극복하지 못하고 집속 전극에 의하여 후방으로 반사되기 때문이다' 앞에 언급한 것처럼 einzel lens assembly 의 주 목적이 발산되는 이온빔을 모아서 효과적으로 다개구를 포함하는 정전형 이온광학 시스템에 전달하는 것으로 다개구의 입구 부분으로 가능하면 균일하고 평행한 이온빔을 보내주는 것이다. 이러한 관점에서 볼 때 Vf 는 중심에서 최대 이온빔 전류 밀도를 갖도록 조절하기 보다는 vf 를 중심에서 최대 이온빔 전류 밀도를 보이는 값보다 약간 증가시켜 비교적 높은 이온빔 전류 밀도를 보이면서, 균일하게 이온빔이 조사되는 범위가 넓어지도록 조건으로 설정하는 것이 바람직한 것으로 판단된다.
8 mm 이었다. 이상의 결과를 통하여 제작된 plasmatron 방식의 cold hollow cathode 이온원을 다중빔 방식의 이온 가공 장비의 이온 원으로 사용 가능함을 확인할 수 있었다.
보여주었다. 인출된 이온빔을 다개구 이온 광학 렌즈 시스템에 효과적으로 전달하기 위하여 einzel lens assembly 를 제작 평 가한 결과, 집 속 전위를 증가시킴에 따라 중심지점에서 이온빔 밀도가 증가하다가 최고 값에 도달한 후 급격히 감소하는 경향이 관찰되었으며, 이온빔이 균일하게 조사되는 면적은 중심에서 이온빔 밀도가 최대가 되는 집 속 전위보다 조금 높은 전위가 인가되었을 때 최대가 되었으며 95% 의 균일도를 나타내는 영역의 크기는 대략 직경 1.8 mm 이었다. 이상의 결과를 통하여 제작된 plasmatron 방식의 cold hollow cathode 이온원을 다중빔 방식의 이온 가공 장비의 이온 원으로 사용 가능함을 확인할 수 있었다.
9 kV 에 도달하면 중심부에서 전류밀도는 최대가 되며 더욱 증가시킬 경우 중심부에서 이온빔 전류밀도는 감소하기 시작하지만 전류밀도가 균일한 영역은 증가하게 된다. 최대전류 밀도를 얻을 수 있는 조건인 Vf = 6.9 kV 조건에서 약 95%의 균일도를 보여주는 영역의 크기는 직경 0.8 mm 의 원형 영역이며, 반면 Vf = 6.95 kV 인 조건에서는 중심점에서 최대전류 밀도는 약 30% 가량 감소하지만 95%의 균일도를 보여주는 영역의 크기는 대략 직경 1.8 mm 의원형 영역이었다. Vf 를 조금 더 증가시킬 경우 이온빔 밀도는 급격히 감소하게 되는데 이는 집 속전 극에 인가된 포텐셜이 이온빔에 대하여 베리어역할을 하기 때문에 이온원 내부에서 발생된 이온들은 집속 포텐셜을 극복하지 못하고 집속 전극에 의하여 후방으로 반사되기 때문이다' 앞에 언급한 것처럼 einzel lens assembly 의 주 목적이 발산되는 이온빔을 모아서 효과적으로 다개구를 포함하는 정전형 이온광학 시스템에 전달하는 것으로 다개구의 입구 부분으로 가능하면 균일하고 평행한 이온빔을 보내주는 것이다.

후속연구

인출되는 이온빔 전류밀도는 식 (2)에 의하면 Vj 의 3/2 제곱에 비례하여야 하나, 실제로는 거의 선형적인 증가를 보여준다. 이러한 이유는 Fig. 2 에서 보면 방전 파워를 보호하기 위한 브리드 저항(R:200 Q)이 이온빔 포텐셜 파워 유닛과 방전 파워 유닛이 공통으로 연결된 부분과 igniting electrode 의 중간에 연결되어 있는데 이로 인하여 다양한 조건의 변화에 따라 저항에 의한 전압 강하의 정도가 다르기 때문에 electron extractor 를 통하여 빠져나가는 빠른 전자의 양에 영향을 미치기 때문으로 판단되며, 다른 이유로는 anode cavity 의 복잡한 전압인가 구조로 때문으로 판단 되며 이에 대하여서는 좀 더 체계적인 연구가 필요하다. 전류밀도는 진공도 (Pw) 에도 영향을 받는데 실제로 Pw 가 낮을수록 높은 전류 밀도를 얻을 수 있는데 Fig.

참고문헌 (12)

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