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문제 정의
- 이러한 전계방 출이온원의 한계를 극복하고, 신개념의 고휘도 이온원을 개발한다면, 궁극적으로는 획기적으로 향상된 수율을 갖는 차세대 집속이온빔 시스템을 개발하는 것이 가능할 것이다. 이를 위해 전류밀도 특성이 뛰어난 플라즈마 이온원을 개선하여 LMIS의 고휘도 특성에 근접할 수 있는 신개념의 플라즈마 이온원을 개발하는 것이 본 논문의 내용이다.
제안 방법
- Virtual source diameter를 줄이기 위해 본 이온원에서는 Aperture 사이즈를 lOOpin로 제한하였다. 따라서 터보분자펌프 1대에 의한 차등진공이 불가능하다고 판단하여 플라즈마 발생부와 인줄부를 각각 고진공 상태로 유지하기 위하여 독립적인 진공시스템을 구성하였다.
- Virtual source diameter를 줄이기 위해 본 이온원에서는 Aperture 사이즈를 lOOpin로 제한하였다. 따라서 터보분자펌프 1대에 의한 차등진공이 불가능하다고 판단하여 플라즈마 발생부와 인줄부를 각각 고진공 상태로 유지하기 위하여 독립적인 진공시스템을 구성하였다. 플라즈마 발생부와 인출부는 각각의 터보펌프를 이용하여 진공을 유지시켰고플라즈마 발생부에는 MFC(Mass Flow Controller)를 이용하여 방전에 필요한 가스를 주입하였다.
- 마이크로 사이즈의 인출구경을 이용하여 플라즈마 이온원 의 휘도특성을 개선하였고 전류 및 휘도특성에 대한 실험을 수행하였다. 인출전압을 변경하면서 이온빔 전류를 측정한 결과, 최대 550nA의 아온빔 전류특성을 보였으며, 이러한 최적의 조건에서 측정된 이온원의 휘도는 l03A/cm2sr를 상회하였다.
- 1mm, 1mm의 마이크로 홀을 이용하여 인출시스템을 구성하기 때문에 제작 및 정렬에 어려움이 예상됨에 따라 착탈이 가능한 모듈의 형태로 제작하였다. 먼저 외경 30mm, 두께 0.25mm의 탄탈륨판에 직경 O.lmns의 인출 홀을 방전드릴 (슈퍼드릴) 방법을 이용하여 가공한 후 이를 외경 50mm, 내 경 30mm 스테인리스 판에 레이저 용접을 이용하여 고정하였다. 그리고 이 모듈을 내경 14mm, 외경 176mm, 두께 20mm의 스테인리스 판에 고정하였다.
- 바이어스 전극과 접지전극의 경우 각각 직경 0.1mm, 1mm의 마이크로 홀을 이용하여 인출시스템을 구성하기 때문에 제작 및 정렬에 어려움이 예상됨에 따라 착탈이 가능한 모듈의 형태로 제작하였다. 먼저 외경 30mm, 두께 0.
- 그리고 이 모듈을 내경 14mm, 외경 176mm, 두께 20mm의 스테인리스 판에 고정하였다. 바이어스 전극위에 절연을 위하여 세라믹 판을 사이에 두고 접지전극을 조립하 였으며 현미경을 통하여 바이어스 전극에 위치하고 있는 직경 O.lnun의 마이크로 홀과 접지전극에 위치하고 있는 1mm의 홀의 중심점이 일치하도록 정렬하였다. 접지전극의 경우 진공배기를 위하여 중심 홀주위에 진공배기구를 가공 하였으며 구리선을 이용하여 진공 챔버에 접지하였다.
- 편향전극 및 패러데이컵을 이용하여 이온빔의 발산각을 측정하였고, 이를 통해 방출된 이온빔의 휘도특성을 연구하였다. Fig.
- 따라서 터보분자펌프 1대에 의한 차등진공이 불가능하다고 판단하여 플라즈마 발생부와 인줄부를 각각 고진공 상태로 유지하기 위하여 독립적인 진공시스템을 구성하였다. 플라즈마 발생부와 인출부는 각각의 터보펌프를 이용하여 진공을 유지시켰고플라즈마 발생부에는 MFC(Mass Flow Controller)를 이용하여 방전에 필요한 가스를 주입하였다. 특히, 높은 압력의 ICP 운전일 수록 빔 에너지 분산 및 전자온도 감소에 좋은 면이 있으므로, 분리된 진공시스템에 의한 높은 차등진공도는 고휘도 이온원으로서 매우 큰 장점이 될 수 있다.
대상 데이터
- l에서 본 연구에서 개발된 플라즈마 이온빔 인출시스템을 나타내고 있다. 이온빔 인출을 위한 플라즈마원으로는 13.56MHz의 고주파를 사용하는 유도결합 플라즈마원을 채택하였다. 유도결합 플라즈마는 안테나에서 발생하는 유도자 기장이 진공챔버내에 원주방향의 유도 전기장을 발생하고 이러한 유도 전기장으로 전자를 가속시켜 플라즈마를 발생 및 유지시키는 것이 그 특징이다.
성능/효과
- 그림에서 알 수 있듯이 빔의 발산각은 10~20V에서 최대가 된 후 양전압이 높아짐에 따라서 30mrad 이하로 낮아짐을 알 수 있었다. 또한 양전압이 높아짐에 따라 전류밀도가 급격히 높 아져서, 결과적으로 이온빔의 휘도가 급격히 증가하였다. 양전압 바이어스가 50V이고 Virtual source diameter6nm으로 가정하여 계산한 결과, 이온빔의 휘도는 103 A/cm2sr 이상이 됨을 확인하였다.
- 밀도특성이 월등히 뛰어난 아르곤 플라즈마와의 인 출구경을 사용하고, 본 연구에서 제안된 바이어스인출기법 및 고출력 RF 플라즈마를 이용한다면 LMB에 필적할 수 있는 105A/cm2sr 이상의 휘도가 충분히 달성될 것으로 추정 되었다. 또한 플라즈마밀도를 통해 추정된 전류밀도 증가폭은 국외 연구기관에서 제시한 수치보다 월등히 높다.
- 또한 양전압이 높아짐에 따라 전류밀도가 급격히 높 아져서, 결과적으로 이온빔의 휘도가 급격히 증가하였다. 양전압 바이어스가 50V이고 Virtual source diameter6nm으로 가정하여 계산한 결과, 이온빔의 휘도는 103 A/cm2sr 이상이 됨을 확인하였다.
- 마이크로 사이즈의 인출구경을 이용하여 플라즈마 이온원 의 휘도특성을 개선하였고 전류 및 휘도특성에 대한 실험을 수행하였다. 인출전압을 변경하면서 이온빔 전류를 측정한 결과, 최대 550nA의 아온빔 전류특성을 보였으며, 이러한 최적의 조건에서 측정된 이온원의 휘도는 l03A/cm2sr를 상회하였다.
후속연구
- 또한 본 연구에서 적용된 것과 같이 체적(volumetric)으 로 형성된 플라즈마원은 point source인 LMIS와 달리, 하나의 이온원으로 다중의 이온빔을 인출할 수 있어서semi-parallel process가 가능한 차세대 집속이온빔 시스템의 개발이 가능하다. 이러한 semi-parallel process는 지금 까지 집속이온빔 시스템의 최대 단점으로 지적되어온 serial process의 한계를 극복할 수 있는 대안으로 판단된다.
- 그러나 무엇보다 LMIS 및 GFIS의 경우에는 사용할 수 있는 이온종(Ion species) 에 제한이 있다는 점, 그리고 point source라는 특성으로 인해 다중이온빔시스템(Multi ion beam system)으로의 적용이힘들다는 점이 가장 큰 난제라고 할 수 있다. 이러한 전계방 출이온원의 한계를 극복하고, 신개념의 고휘도 이온원을 개발한다면, 궁극적으로는 획기적으로 향상된 수율을 갖는 차세대 집속이온빔 시스템을 개발하는 것이 가능할 것이다. 이를 위해 전류밀도 특성이 뛰어난 플라즈마 이온원을 개선하여 LMIS의 고휘도 특성에 근접할 수 있는 신개념의 플라즈마 이온원을 개발하는 것이 본 논문의 내용이다.
- 고주파와 플라즈마의 유도 결합을 통해 발생되는 유도결합 플라즈마원은 10ncm'3 이상의 고밀도 플라즈마를 얻을 수 있는 효율적인 플라즈마 발생방법으로 알려져 있으며, 플라즈마 전위가 기존의 축전결 합 플라즈마에 비해 낮다는 장점을 가지고 있다. 이를 통해 이온 온도 및 이온에너지 분산을 감소시킬 수 있어 높은 휘 도를 달성하는데 큰 역할을 할 수 있다고 판단된다.
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