KR0155245B1 - 자기2극을 이용한 이온빔 편향 주사장치와 그 전원 - Google Patents

Abstract

본 발명은 1개의 자기 2극을 사용 전자, 이온 등 하전 입자빔(Charged Particle Beam)의 방향을 바꾸면서 동시에 표적에 빔을 균일하게 주사(Scanning)시키는데 대한 방법과 그 장치로서 하전 입자빔 조사장치, 이온 주입기 등의 표적계의 전단에 구성되는 주사장치에 관한 것으로써, 자기 2극 전자석과 구동 전원을 사용하여 이온빔의 편향 및 주사를 동시에 할 수 있는 복합기능을 부여함으로써, 자장계를 사용하여 대전류 이온빔의 정밀한 조정 및 제어를 확보하고, 복합기능을 부여하여 부품의 수를 줄임으로써 빔 수송 계통의 길이를 짧게하여 대전류 빔의 수송 손실을 줄여 수송효율을 증가시켰으며, 특히 전자석 구동 코일을 1조만 사용하고 여기에 인가되는 전원이 한쪽 방향으로만 전류가 흐르는 삼각파로 회로를 구성하므로서 편향과 주사를 동시에 할 수 있는 것을 특징으로 한다.

Description

자기2극(Magnetic Dipole)을 이용한 이온빔 편향 주사장치와 그 전원

본 발명은 1개의 자기2극(Magntic Dipole)을 사용하여, 이온 등 하전 입자빔(Charged Particle Beam)을 방향을 바꾸면서 동시에 표적에 빔을 균일하게 주사(Scanning)시키는 장치와 그 전원으로서 하전빔 조사장치, 이온 주입기 등의 표적계의 전단에 구성되는 이온빔 편향 주사장치에 관한 것이다.

종래의 이온빔 편향 및 주사계는 이온의 방향을 바꾸는 편향계 및 빔을 수직, 수평 방향으로 주사하는 주사계를 제1도(a)와 같이 독립적으로 구성하였거나, 또는 제1도(b)와 같이 합성기능, 즉 주사 및 편향의 복합 기능을 갖는 경우에는 장치 및 구성의 문제등으로 전기장(Electric Field)형에 국한되어 있었다.

전기장형의 경우 이온에너지 수십keV 정도에 이온 전류가 수mA이상이 되면 이온들이 발생하는 자체 전기장과 편향 제어계의 전기장과의 상호 작용으로 제어 전기장이 왜곡되어 이온빔을 발산시키거나 불균일하게 만드는 요인이 된다.

따라서 전기장형을 사용할 경우 이온빔에 의한 공간전하효과(Space Charge Effect)를 무시할 수 있는 이온 전류수mA 이하의 중 전류 이온주입기 등에만 사용이 가능하였다.

수송 전류가 10mA이상 대전류일 경우, 공간 저하 효과를 줄이기 위하여 이온빔 수송 경로에 전자 발생장치를 두어 공간 전하 효과를 중화하는 경우 제어 장치의 왜곡은 방지할 수 있으나, 이온빔 경로에 모여있는 전자들에 의하여 편향 전극간에 방전이 일어나 이온빔 수송이 불안정하게 되어, 표적의 조사시료에 공간적으로 불균일한 이온이 조사되어 제품 조사시, 특히 반도체소자 이온 주입시 불량의 주요 원인이 되어왔다.

상기와 같은 선행기술의 문제점을 개선하여 본 발명은 2극 전자석(Dipole Magnetic)과 1방향성 삼각파 구동전원을 사용하고 하전 입자빔의 편향 및 주사를 동시에 할 수 있는 복합 기능을 갖도록 하여, 부품의 수를 줄이고, 이에 따른 이온빔 수송계의 길이 단축으로 대전류 이온빔의 수송시 손실을 줄이어 수송 효율을 증가시켰으며, 특히 자기장(Magnetic Field)형을 채택함으로써 대전류 이온빔의 정밀한 조종 및 제어에 따른 대면적의 표적에 균일한 하전 입자빔 조사가 가능한 편향 주사 장치를 제공하는 것에 그 목적이 있다.

본 발명은 대전류 하전입자빔, 즉 공간전하효과(Space Charge Effect)가 크게 작용하는 대전류 이온빔의 편향 및 주사를 동시에 달성하여 표적에 빔을 균일하게 주사시키는 장치로서;

o이온주입기(Ion Implanter)등 기존의 이온빔 주사장치는 공간전하효과가 거의 무시할 수 있는 소전류형으로, 이 경우 전기장형 편향 및 주사장치가 간편하고, 주사속도가 빠르며, 효율적이므로 구태여 자기장형으로 구성할 필요성이 없었으나, 최근 10인치 이상의 대면적 반도체 웨이퍼 관련연구 및 생산이 시작되면서 수십 mA급 대전류 이온주입기의 필요성이 대두되었다.

대전류의 경우 전기장형 편향 주사장치는 공간전하효과로 편향주사시 외부 제어 전기장 차폐효과에 의하여 더 이상 균일하고 정밀한 제어가 어려워, 이 경우 공간전하효과는 무관한 자기장형이 유리하다.

따라서 이러한 요구를 충족할 수 있는 시스템 수요가 최근에야 도래되어 이에 적합한 시스템 구성을 발명하게 되었다.

(공간전하효과 (Space Charge Effect); 빔을 구성하는 하전입자들 사이에 정전기적인 반발력 및 외부 전기장의 내부침투 차폐(Screening)효과)

제1도는 하전입자빔 주사장치 및 편향장치 원리도.

(a) 종래의 자기장형 편향장치 및 주사장치.

(b) 종래의 전기장형 편향 주사장치.

(c) 본 발명의 자기장형 편향 주사장치.

제2도는 본 발명의 자기 2극형 편향 주사장치 구성도.

제3도는 본 발명의 전력 회수용 전원 공급기의 회로원리도.

(a) 전원 공급기 회로 원리도.

(b) 전원 공급기로부터 발생되는 전류의 파형.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 상부 자기회로 2 : 하부 자기회로

3 : 코일 4 : 연결봉

5 : 지지봉 6 : 측면 지지판

7 : 입력 직류 전원 8 : 충전용 콘덴서

9 : 스위칭트랜지스터

10 : 삼각파 신호발생 및 트랜지스터 구동회로

11 : 인덕터(자기2극)부하 12 : 역전압 방지용 다이오드

13 : 전력회수용 트랜스

상기와 같은 과제를 수행하기 위하여 본 발명은 이온주입기 등의 표적계의 대전류 이온빔의 편향 및 주사에 적합하도록 2극 전자석과 1방향성 삼각파 구동전원을 사용하고 하전입자빔의 편향과 주사를 동시에 하는 복합기능을 갖는 자기2극 전자석 편향장치와,

상기 편향 주사 장치는 자성재료의 자극면을 균일 저장형이 되도록 가공한 후 조립 보조기를 이용하여 적층한 다음 이를 측면 지지판(6)과 지지봉(5)을 사용하여 밀착, 상·하부 자기회로를 구성한 후, 여기에 코일(3)을 넣고 상·하 자기회로를 연결봉(4)으로 체결함으로써, 자석 조립이 간단하고 코일의 설치가 용이한 구조를 가지며,

편향주사의 복합기능을 갖는 자기장형 2극 전자석(11)과, 상기 자기장형 2극 전자석에 공급되는 전원을 스우칭하는 트랜지스터(9)와, 상기 트랜지스터(9)가 온/오프 되도록 펄스신호를 출력하는 신호발생부(10), 상기 자기장형 2극 전자석에 저장되어 있던 자기장 에너지를 회수하여 방전하는 전력회수용 트랜스(13), 상기 전력회수용 트랜스(13)의 방전 전압을 충전하는 충전용 콘덴서(8)을 포함하여 구성되는 에너지 회수형 삼각파 발생전원회로를 특징으로 한다.

이하 본 발명을 첨부 도면에 연계하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

제2도는 본 발명의 자기2극형 편향 주사 복합 장치의 구성도로서, 편향 장치는 자극과 상·하부 자기회로(Magnetic Circuit)(1,2), 코일(3), 연결봉(4), 지지봉(5), 측면지지판(6)으로 구성된다.

편향 주사장치는 수십 내지는 수백Hz의 주사 기능을 가지므로 자기회로는 철심 또는 이에 상응하는 자성재료는 삼각파 교류전력인가시 발생되는 와류 손실(Eddy Current Loss)을 줄이기 위하여 철심일 경우 0.35㎜이하의 규소강판이나 훼라이트 등으로 자성재료는 전기 저항이 큰 재료로 제작한다.

자극은 가능한 주사방향으로 균일한 자장을 얻기 위하여 자극면을 변형한다.

규소강판의 자기회로를 사용할 경우 규소강판의 자극면을 균일 자장형이 되도록 가공한 후 조립 보조기를 이용하여 적층한 다음 이를 측면 지지판(6)과 지지봉(5)을 사용하여 밀착, 상·하부 자기회로를 구성한다.

여기에 코일(3)을 넣고 상·하 자기회로를 연결봉(4)로써 체결한다.

이렇게 자기회로를 2등분하여 독립적으로 구성할 경우 코일의 설치가 매우 간편하게 되어 장치 조립 및 보수시 분해 조립 조종이 매우 용이한 잇점이 있다.

코일은 내부에 수냉관이 있는 4각형 절연피복 동선이나 동판을 사용하여 권선한다.

코일을 2조 사용할 경우 한 코일에는 편향 자기장 발생용인 직류전류를 다른 코일에는 주사 자기장 발생용인 교류 삼각파 전류를 흘린다.

한편 코일을 모두 직렬로 연결하여 1개의 전원만으로 전자석을 가동하는 경우, 코일에 인가되는 전류가 제3도(b)와 같이 한 방향으로만 흐르는 삼각파로 구성함으로서 편향과 주사를 동시에 할 수 있도록 한다.

이러한 전원의구성은 제3도(a)의 회로도와 같이 전류 상승시의 전자석의 인덕턴스에 의존하는 선형 전류증가 회로와, 전류 감소시의 전자석에 저장된 에너지를 전원측에 되돌려주는 전력회수 방식을 택하므로서 전자석 구동시 전력 소모율을 매우 낮게 하였다는데 그 특징이 있다.

삼각파 발생 전원 회로는 제3도(a)와 같이 입력 직류전원(7), 충전용 콘덴서(8), 스위칭 트랜지스터(9), 삼각파 신호발생 및 트랜지스터 구동회로(10), 인덕터(자기2극) 부하(11), 역전압방지용 다이오드(12), 전력회수용 트랜스(13)과 기타 구성품으로 이루어진다.

가동원리는 스위칭 트랜지스터를 열면 부하가 거의 순수한 인덕턴스 성분을 가지므로, 즉 도선 및 코일의 직류저항 R, 자석의 인덕턴스 L 및 주사 주파수 ω가 ω LR이 되는 조건에서 회로에 흐르는 전류 I는 다음과 같이

I(t) = V/Lt

시간에 따라 선형적으로 증가하게 되어 최고점에 도달하게 된다.

따라서 자기장의 세기도 선형적으로 증가한다. 그 다음 스윗칭 트랜지스터를 닫으면 전자석에 저장되어 있던 자기장 에너지가 전류의 형태로 방전하게 된다.

이때 방전회로상에 충전용 변압기를 설치하므로써 부하측에 흐르던 전류를 입력측에 충전하게 하여 에너지를 회수하게 된다.

이때 입력측의 전압이 일정하다면 방전시 흐르는 전류 I는

I(t) = Io - V/Lt

로 선형적으로 감소하게 된다.

여기서 Io는 초기 전류값이다.

따라서 전자석의 코일과 도선에서 자항 손실과 전자석의 히스테리시스 및 와류손실에서 발생한 저항부하성 손실만을 입력측에서 제공하게 된다면 대용량 입력직류전원 없이도 대전류 1방향성 구동이 가능하게 되어 편향 및 주사를 동시에 실현할 수 있다.

이와같이 구성되어지는 본 발명의 효과는 자기장형 2극전자석을 이용하여 편향 주사의 복합기능을 가지므로써 장치의 단순화 및 대전류 이온빔의 대면적 표적에 균일 조사를 실현할 수 있고, 전원은 일방향성 삼각파 발생형으로 하여 인덕터 부하인 자석을 효율 좋게 구동하는 에너지 회수용 전원계를 구성할 수 있을 뿐만 아니라, 자석의 구조는 상부 및 하부 자기 회로를 분리토록 하여 코일의 설치나 진공함의 설치가 매우 간편하게 되도록하여 장치 조립 및 보수시 분해 조립이 매우 용이한 잇점이 있다.

또한 편향 주사계는 최근 개발되고 있는 대전류 빔 조사장치의 편향 주사계로서 그 활용도가 클 것으로 기대되는 것이다.

Claims (2)

1. 2극 전자석 1방향성 삼각파 구동전원을 사용하고 하전입자빔의 편향과 주사를 동시에 할 수 있게한 것으로서, 자성재료의 자극면을 균일 자장향이 되도록 상부자기회로(1)과 하부자기회로(2)를 가공한 후 조립 보조기를 이용하여 적층한 다음 이를 측면 지지판(6)과, 지지봉(5)을 사용하여 밀착, 상·하부 자기회로를 구성한 후, 여기에 코일(3)을 넣고 상·하부 자기회로를 연결봉(4)으로 체결하되 상기 코일을 2조 사용할 경우 한 코일에는 편향 자기장 발생용인 직류전류를 다른 코일에는 주사 자기장 발생용인 교류 삼각파 전류를 흘리게 결선하고 상기 코일을 모두 직렬로 연결하여 1개 전원만으로 전자석을 가동하는 경우, 코일에 인가되는 전류가 한 방향으로만 흐르는 삼각파로 구성함으로서 편향과 주사를 동시에 할 수 있도록 회로 결선한 것을 특징으로하는 자기 2극을 사용한 이온빔 편향 주사장치.
2. 편향주사의 복합기능을 갖는 자기장형 2극 전자석 2극 전자석(11)과, 상기 자기장형 2극 전자석에 공급되는 전원을 스위칭하는 트랜지스터(9)와, 상기 트랜지스터(9)가 온/오프 되도록 펄스신호를 출력하는 신호발생부(10), 상기 자기장형 2극 전자석에 저장되어 있던 자기장 에너지를 회수하여 방전하는 전력회수용 트랜스(13), 상기 전력회수용 트랜스(13)의 방전 전압을 충전하는 충전용 콘덴서(8)를 포함하여 구성됨을 특징으로하는 자기 2극을 사용한 이온빔 편향 주사장치의 전원.