KR100307070B1 - 고속원자빔공급원 - Google Patents

Abstract

낮은 에너지와 높은 입자플럭스를 가진 고속 원자빔을 효과적으로 방출할 수 있는 고속 원자빔. 평면형 자극(21)은 다수의 원자 방출홀(7)들을 가진다. 한 쌍의 전극들(22 및 28)은 전기적 방전부를 형성하도록 판 모양 전극에 대향된 면에 일렬로 배치된다. 전원(24)은 한 쌍의 전극들 사이에 AC 전압을 공급한다. 상기 전원(29)은 판 모양 전극과 상기 판 모양 전극에 근접한 한 쌍의 전극들 중 하나와의 사이에 DC 전압을 공급한다. 가스유입부(4)는 판 모양 전극과 한 쌍의 전극들 사이에 공간에 전기적 방전을 유도하도록 가스(5)를 제공한다.

Description

고속 원자빔 공급원

제 1도는 본 발명에 따른 고속 원자빔 공급원의 제 1실시예의 구조를 나타내고,

제 2도는 본 발명에 따른 고속 원자빔 공급원의 제 2실시예의 구조를 나타내며,

제 3도는 본 발명에 따른 고속 원자빔 공급원의 제 3실시예의 구조를 나타내고,

제 4도는 본 발명에 따른 고속 원자빔 공급원의 제 4실시예의 구조를 나타내며,

제 5도는 종래의 고속 원자빔 공급원의 구조를 나타낸다.

본 발명은 비교적 낮은 방전전압으로 고속 원자빔을 효과적으로 방출할 수 있는 고속 원자빔 공급원에 관한 것이다.

실온의 대기에서 열 운동을 하는 원자들과 분자들은 약 0.05eV의 운동에너지를 가진다. "고속 원자"는 0.05eV보다 큰 운동에너지를 가진 원자 및 분자이고, 이러한 입자들이 일 방향으로 방출될 때 이들은 "고속 원자빔"이라 불린다.

제 5도는 고속 가스원자빔들을 발생시키도록 설계된 종래의 고속 원자빔 공급원들 중에서 0.5 keV 내지 10 keV의 운동에너지를 가진 아르곤 원자들을 방출하는 고속 원자빔 공급원 구조의 일 예를 나타낸다. 상기 도에서, 참조번호 "1"은 원통형 음극을 표시하고, 참조번호 "2"는 도넛형 양극을 표시하며, 참조번호 "3"은 DC 고전압 전원(0.5 kV 내지 10 kV)을 표시하고, 참조번호 "4"는 가스노즐을 표시하며, 참조번호 "5"는 아르곤가스를 표시하고, 참조번호 "6"은 플라즈마를 표시하며, 참조번호 "7"은 고속 원자 방출 홀들을 표시하고, 참조번호 "8"은 고속 원자빔을 표시한다. 종래의 고속 원자빔 공급원의 동작은 다음과 같다:

DC 고전압 전원(3)과 방전 안정저항(도시하지 않음)을 제외한 구성요소들이 진공컨테이너(나타내지 않음)내에 설치된다. 상기 진공컨테이너가 충분히 배기된 후에, 가스노즐(4)로부터 원통형 음극(1)의 내부로 아르곤가스(5)가 주입된다. 한편, DC 고전압 전원(3)으로부터, 양극(2)과 음극(1)사이에, 양극(2)이 양의 전위를 가지고 음극(1)이 음의 전위를 가지는 방식으로 DC전압이 가해진다. 결과적으로, 음극(1)과 양극(2) 사이에서 전기적 방전이 일어나 플라즈마(6)를 발생시키고, 따라서, 아르곤이온들 및 전자들을 생성시킨다. 이러한 과정중에, 원통형 음극(1)의 일 단부면으로부터 방출되는 전자들은 양극(2)을 향해 가속되고 양극(2)내의 중심 홀을 통과하여 음극(1)의 다른 단부면에 도달한다. 제 2단부면에 도달하는 전자들은 그들의 속력을 상실한다. 그 다음에, 상기 전자들은 방향을 바꾸고 양극(2)을 향해 가속되어, 음극(1)의 제 1단부면에 도달하기 전에 양극(2)의 중심 홀을 다시 통과한다. 이러한 전자의 반복동작은 원통형 음극(1)의 2개의 단부면들 사이에 음극(2)을 가로지르는 고주파수 진동을 형성하고, 전자들은 아르곤가스와 충돌하여, 이 반복동작에 의해 많은 아르곤이온들을 생성시킨다.

이러한 방식으로 생성된 아르곤 이온들은 원통형 음극(1)의 각 단부면을 향해 가속되어 충분히 큰 운동에너지를 얻는다. 이 때에 얻어진 운동에너지는 예를 들어, 양극(2)과 음극(1) 사이에 가해진 방전유지전압이 1 kV일 때에는 약 1 keV이다. 상기 원통형 음극(1)의 각 단부면(1a)의 부근에는 고주파수로 진동하는 전자들의 반환지점이 있다. 이는 낮은 에너지를 가진 다수의 전자들이 존재하는 공간이다. 아르곤이온은 상기 공간에서 전자들과의 충돌 및 재결합에 의해 아르곤원자들로 변화한다. 상기 이온들과 상기 전자들 사이의 충돌에 있어서, 전자들의 질량(mass)이 아르곤이온들의 질량에 비해 무시할 수 있을 정도로 대단히 작기 때문에, 아르곤이온들은 운동에너지를 거의 손실함이 없이 전자 교환된 원자들에 전달하여 고속 원자들을 형성한다. 따라서, 고속 원자들의 운동에너지는 약 1 keV이다. 가속된 고속 원자들은 원통형 음극(1)의 일 단부면(1a)에 설치된 방출 홀(7)들을 통해 외부로 고속 원자빔(8)의 형태로 방출된다.

그러나, 상기한 종래의 고속 원자빔 공급원은 아래에 기술된 약간의 문제점이 있다. 종래의 기술은 고속 원자빔의 방출속도를 증가시키기 위해서는 방전전압을 증가시키거나, 전술한 구성과 병행하여 자석을 사용하거나, 도입하는 가스의 압력을 증가시킬 필요가 있었던바, 고속 원자빔의 에너지 증가, 상기 장치의 전체 크기 증가, 또는 원자빔의 에너지폭 팽창 등을 초래하지 않는 다른 방법은 적용할 수가 없었다. 따라서, 종래의 기술은 사용하는데 많은 문제점과 어려움이 있다.

상기의 관점에서, 본 발명의 목적은 낮은 에너지와 높은 입자 플럭스를 가진 고속 원자빔을 효과적으로 방출할 수 있는 고속 원자빔 공급원을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은 다수의 원자 방출 홀들을 가진 판 모양 전극과, 전기적 방전부를 형성하도록 상기 판 모양 전극에 대향된 면에 일렬로 배치되는 한 쌍의 전극들을 구비하는 고속 원자빔 공급원을 제공한다. 상기 고속 원자빔 공급원은 상기 한 쌍의 전극들 사이에 AC 전압을 공급하기 위한 전원과, 상기 판 모양 전극과 상기 판 모양 전극에 인접한 한 쌍의 전극들 중 하나 사이에 DC 전압을 공급하기 위한 다른 전원을 더 구비한다. 또, 상기 고속 원자빔 공급원은 상기 판 모양 전극과 상기 한 쌍의 전극들 사이의 공간에 전기적 방전을 유도하도록 가스를 제공하기 위한 가스유입부를 가진다. 상기 판 모양 전극은 상기 전기적 방전부를 형성하는 한 쌍의 전극들 중 하나와 일체 성형될 수 있다.

동작 시에는, 전기적 방전을 유도하고 가스를 이온화시키도록 한 쌍의 전극들 사이에 AC 전압이 공급됨으로써, 많은 양의 이온들과 전자들을 공급하고 전기적 방전을 낮은 전압에서 유지한다. 따라서, 낮은 에너지를 가진 고속 원자빔을 방출할 수 있다.

자계가 상기 전기적 방전부에 추가로 제공되면, 방전전압은 더 낮아질 수 있고, 고밀도 플라즈마가 발생될 수 있다.

본 발명의 상기 및 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 동일한 참조 번호가 동일한 요소들을 표시하는 첨부도면과 관련되어 이하의 바람직한 실시 예들의 설명으로 부터 더욱 분명하게 된다.

이하에, 본 발명의 실시예들은 첨부도면을 참조하여 상세히 설명된다.

제 1도는 본 발명에 따른 고속 원자빔 공급원의 제 1실시 예를 나타낸다. 상기 도면에서, 제 5도에서 나타낸 종래 기술과 동일한 기능을 가진 구성요소들은 동일한 참조번호로 표시되고, 그 설명은 생략된다. 본 발명의 제 1실시예를 나타내는 제 1도를 참조하면, 판 모양 전극(21)은 고속 원자 방출 홀(7)들을 구비한다. 한 쌍의 판 모양 전극들(22 및 28) 사이에 AC전압의 인가에 의해 전기적 방전부를 형성하도록 되어 있다. 판 모양 전극들(22 및 28)은 가스(5) 또는 플라즈마 상태에 있는 가스(5)를 통과시키기 위한 연통홀들(25 및 26)을 각각 구비한다. 고주파수 전원(24)(예를 들어, 13.56 MHz)은 전극들(22 및 28) 사이에 연결된다. 또, DC 전원(29)은 전극(21)이 음극으로 사용되고 전극(22)이 양극으로 사용되도록 전극들(22 및 22) 사이에 연결 됨으로써, 두 개의 전극들(21 및 22) 사이에 DC 방전부를 형성한다. 안정저항(9)은 전기적 방전상태를 안정화시키기 위해 설치된다. 판 모양 전극들(21, 22 및 28)은 고속 원자빔 공급원 케이싱(23)내에 설치된다.

전원(24)으로부터 전극들(22 및 28) 사이에 전압이 가해지면, 고주파수 전계가 생성되어, 가스(5)의 전자들이 고주파수 전계의 변화에 대응하여 이동하지만, 상기 가스이온들은 비교적 큰 질량으로 인해서 고주파수 전계의 변화에 대응하여 이동될 수 없다. 이러한 현상을 활용함으로써, 전자온도를 상승시키고 고주파수 전계에 의해 고밀도 플라즈마(27)를 발생시킬 수 있다.

이 실시예에서의 고속 원자빔 공급원은 다음과 같이 작동한다: 고주파수 전원(24)과 DC 전원(29)을 제외한 고속 원자빔 공급원의 구성요소들은 진공컨테이너(도시하지 않음)내에 수납된다. 진공컨테이터가 충분히 배기된 후에, 가스(5) 예를 들어, 아르곤은 가스노즐(4)을 통해 고속 원자빔 공급원 케이싱(23)내로 제공된다. 전기적 방전부를 구성하는 전극들(22 및 28) 사이에 고주파수 전력전압(24)에 의해 고주파수 전압이 공급된다. 따라서, 고밀도 플라즈마(27)가 낮은 전압으로 형성된다. 상기 고밀도 플라즈마(27)는 가스(5)의 흐름과 함께 유동하여, 연통 홀(25)들을 통해 전극들(21 및 22) 사이에 형성된 DC 방전부내로 제공됨으로써, DC 전기적 방전이 낮은 에너지로 유도될 수 있다. 결과적으로, 고밀도 플라즈마(6)가 전극들(21 및 22) 사이의 공간에서 발생되고, 가스이온들과 전극들이 고밀도 플라즈마(6)내에서 생성된다. 상기 이온들은 큰 에어지를 제공하도록 음극(21)을 향해 가속되고, 상기 이온들은 음극(21)내의 잔여 가스입자들과의 충돌 또는 전자들과의 재결합을 통해 전기적 전하를 잃음으로써, 고속 원자로 전환된다. 상기 고속 원자는 고속 원자 방출 홀(7)들로 부터 외부로 고속 원자빔(8)의 형태로 방출된다.

제 2도는 본 발명에 따른 고속 원자빔 공급원의 제 2실시예를 나타낸다. 제 2실시예는 AC 방전부를 형성하는 두개의 전극들이 판 모양 전극들이 아니고 링 모양 전극들(22a 및 28a)인 점에서 제 1실시예와 상이하다. 다른 구성요소들은 제 1실시예의 구성요소들과 동일하다. 따라서, 동일하거나 대응하는 구성요소들은 제 1실시예에서와 동일한 참조번호로 표시되고, 그 설명은 생략된다.

상기한 링 모양 전극들(22a 및 28a)은 두개의 전극들(22a 및 28a) 사이에 고주파수전압을 가함으로써 낮은 전압으로 가스(5)를 플라즈마 상태(27)로 만들 수도 있다. 상기 플라즈마(27)는 전극들(21 및 22a) 사이에 형성된 DC 방전부로 공급되고, 여기서 고밀도 플라즈마(6)가 낮은 전압으로 형성되며, 고속 원자빔(8)이 고속 원자 방출 홀(7)을 통해 방출된다. 따라서, 제 1실시예에서와 동일한 방식으로 낮은 에너지를 가진 고속 원자빔(8)을 얻을 수 있다.

따라서, 고주파수 전계에 의해 전기적 방전부를 형성하는 두개의 전극들 각각은 제 1실시예에서와 같은 판 모양 전극들(22 및 28) 또는 제 2실시예에서와 같은 링 모양 전극들(22a 및 28a)일 수 있다. 다른 전극에서와 같이 링 모양 전극과 고주파수 전계에 의해 전기적 방전부를 형성하는 두개의 전극들 중 하나로서 판 모양 전극을 사용할 수도 있다. 또, 전극구조는 링 모양 또는 판 모양으로 필연적으로 제한되는 것은 아니다. 전극구조의 종류는 가스(5) 또는 플라즈마를 통과할 수 있을 만큼 긴 것을 채용할 수 있다.

제 3도는 본 발명에 따른 고속 원자빔 공급원의 제 3실시예의 구조를 나타낸다. 상기 도에서, 제 5도에서 나타낸 종래 기술의 기능과 동일한 기능을 가진 구성요소들은 동일한 참조번호로 표시되고, 그 설명은 생략된다. 제 3도에서, 참조번호 "21"은 판 모양 음극을 표시하고, 참조번호(22)는 판 모양 양극을 표시하며, 그리고 참조번호 "24"는 고주파수 전원(예를 들어, 13.56 MHz)을 표시한다. 고주파수 전원(24)은 전극들(21 및 22) 사이의 고주파수 전압을 공급함으로써, 낮은 에너지로 전기적 방전을 얻는다.

고주파수 전계가 생성될 때, 전자들은 상기 고주파수 전계의 변화에 대응하여 이동하지만, 이온들은 비교적 큰 질량으로 인해서 고주파수 전계의 변화에 대응하여 이동될 수 없다. 이러한 형상을 활용함으로써 전자온도를 상승시키고 고밀도 플라즈마를 낮은 에너지로 발생시킬 수 있다.

제 3실시예의 동작은 다음과 같다: 고주파수 전원(24)을 제외한 고속 원자빔 공급원의 구성요소들이 진공컨테이너(도시하지 않음)내에 수납된다. 진공컨네이너가 충분히 배기된 후에, 가스 예를 들어, 아르곤이 제공된다. 고주파수 전압은 전기적 방전부를 구성하는 전극들(21 및 22) 사이에 고주파수 전원(24)에 의해 공급된다. 따라서, 고밀도 플라즈마는 낮은 전압으로 형성된다. 가스이온들과 전자들은 고밀도 내에서 생성된다. 상기 이온들은 음극(21)내의 잔여 가스입자들과의 충돌 또는 전자들과의 재결합을 통해 전기적 전하를 상실함으로써 고속 원자로 전환된다. 상기 고속 원자들은 고속 원자 방출 홀(7)들로부터 외부로 고속 원자빔(8)의 형태로 방출된다.

제 4도는 양극(22a)이 판 모양 전극이 아닌 링 모양 전극인 점에서 제 3실시 예와 상이하다. 다른 구성요소들은 제 3실시예의 구성요소들과 동일하다. 따라서, 동일하거나 대응하는 구성요소들은 제 3실시예에서와 동일한 참조번호로 표시되고, 그 설명은 생략된다.

상기한 바와 같이, 가스(5)내로 유도된 전기적 방전은 전극들(21 및 22a) 사이에 가해진 고주파수 전압에 의해 낮은 에너지로도 쉽게 유지될 수 있음으로써, 낮은 에너지를 가진 고속 원자빔(8)이 상기한 바와 동일한 방식으로 얻어질 수 있다.

고밀도 플라즈마는 전기한 실시예들에서와 같이 고주파수 전압에 의해 유도된 전기적 방전에 의해서 뿐만 아니라 펄스전압 또는 저주파수 AC 전압을 공급함으로써 두개의 전극들 사이의 공간 내에서 유사하게 형성된다. 전기적 방전부에 AC 전압의 공급에 의해서, 전극들 사이의 공간내의 잔여 이온들 및 전자들은 반복적으로 공급된 전압에 의해 가속되고 가스 및 이온들과 충돌된다. 따라서, 제 2전자방출은 향상되고, 방전전압은 낮아질 수 있다.

자계가 제공되면, 방전전압의 저하와 고밀도 플라즈마의 형성을 더욱 촉진할 수 있다. 길이방향의 자계는 제 1도 내지 제 4도에서 나타낸 실시예들의 전극표면에 수직하게 놓여진 자력선을 가진다. 상기 길이방향의 자계는 예를 들어, 고속 원자빔 공급원 케이싱(23) 주위에 감겨진 코일에 전류를 통하게 함으로써 형성될 수 있다. 측 방향 자계의 경우에, 자력선은 예를 들어, N극과 S극을 고속 원자빔 공급원 케이싱(23)을 가로질러 상호 면하도록 배치함으로써 형성될 수 있다. 다극 자계의 경우에, 자계들은 전기적 방전부의 외주부 주위에 존재할 것이라 추정되는 가상막대 주위에 형성된다.

길이방향, 측 방향 및 다극 자계들은 전기적 방전부(전극들 사이의)내의 전자들과 이온들의 움직임을 활성화시키고 가스와의 충돌 횟수를 증가시킴으로써, 방전전압을 더욱 낮게 하고 고밀도 플라즈마를 생성시킬 수 있다.

본 발명에 따라 AC 전압을 사용하는 고속 원자빔 공급원은 DC 전압만을 사용하는 종래의 고속 원자빔 공급원에 비해 방전전압을 낮추게 하고 낮은 에너지를 가진 고속 원자빔을 방출할 수 있게 한다. 또, 예를 들어 필라멘트를 사용함으로써 초래된 열 전자방출에 비해 전자방전부내의 혼란과 가스불순물을 최소화시킬 수 있다.

낮은 에너지를 가진 입자 빔은 고체표면을 제조하거나 충돌 시에 고체물질에 심각한 손상을 초래하지 않고도 변형시킬 수 있고, 반도체의 미세 패턴처리와 분석적 목적 등을 위해 유익하게 활용될 수 있다. 특히, 고속 원자빔이 전기적으로 중성이기 때문에, 금속 및 반도체뿐만 아니라 이온빔 기술이 효과적으로 적용될 수 없는 플라스틱, 세라믹 등의 절연체에도 적용될 수 있다.

본 발명은 특정한 형태로 기재되었지만, 여기서 기재된 실시예들은 배타적인 것이 아니며, 첨부된 특허청구의 범위에 의해 유일하게 제한되는 본 발명의 범위를 벗어나지 않고도 각종 변화와 변형이 주어질 수 있다.

Claims (10)

1. 다수의 방출 홀들을 가진 판 모양의 가속용 음극과, 전기적 방전부를 형성하도록 상기 가속용 음극으로부터 각각 소정 거리를 두고 일렬 배치된 방전음극과 방전양극의 조합과, 상기 전지적 방전부내로 가스를 제공하기 위한 가스유입부를 구비하여, 상기 가스가 상기 방전전극들 사이에 유도된 전기적 방전에 의해 플라즈마를 발생시키도록 이온화되어, 가스이온들과 전자들을 생성시키고, 상기 이온들이 가속되고 전자와 재결합되어 고속 원자들로 되고, 상기 고속 원자는 상기 가속용 음극의 방출 홀들로부터 방출되어지며, 전기적 방전부를 형성하는 상기 방전음극과 상기 방전양극 사이에 AC 전압이 공급됨으로써, 플라즈마를 생성시키기 위한 가스의 이온화를 촉진시키는 것을 특징으로 하는 고속 원자빔 공급원.
2. 제 1항에 있어서, 상기 방전음극 또는 상기 방전양극은 다수의 연통 홀을 가진 판 모양 또는 고리 모양 전극인 것을 특징으로 하는 고속 원자빔 공급원.
3. 제 1항에 있어서, 상기 전자들 및 상기 이온들의 움직임을 활성화시키도록 상기 전기적 방전부에 자계가 배치됨으로써, 플라즈마를 발생시키기 위한 가스의 이온화를 촉진시키는 것을 특징으로 하는 고속 원자빔 공급원.
4. 제 1항에 있어서, 상기 AC 전압은 고주파수 전계를 생성시키기 위한 고주파수 전압이고, 상기 고주파수 전계는 가스전자들이 전계에 변화에 대응하여 이동할 수 있지만 가스이온들이 전계의 변화에 대응하여 이동할 수 없는 주파수를 가진 것을 특징으로 하는 고속 원자빔 공급원.
5. 제 4항에 있어서, 상기 전기적 방전부내로 제공된 상기 가스는 아르곤이고, 상기 고주파수 전계의 주파수는 약 13.56MHz인 것을 특징으로 하는 고속 원자빔 공급원.
6. 다수의 방출 홀들을 가진 판 모양의 가속용 음극과, 상기 음극으로부터 소정 거리를 두고 배치된 양극과, 상기 양극과 상기 음극 사이의 공간 내로 가스를 제공하기 위한 가스유입부를 구비하여, 상기 가스는 상기 음극과 상기 양극 사이에 유도된 전기적 방전에 의해 플라즈마를 생성시키도록 이온화되어, 가스이온들 및 전자들을 생성시키고, 상기 이온들이 가속되어 전자와 재결합되어 고속 원자들로 되고, 상기 고속 원자는 상기 음극의 방출 홀들로부터 방출되어지며, 상기 음극과 상기 양극 사이에 AC 전압이 공급됨으로써, 플라즈마를 생성시키기 위한 가스의 이온화를 촉진시키는 것을 특징으로 하는 고속 원자빔 공급원.
7. 제 6항에 있어서, 상기 양극은 다수의 연통 홀들을 가진 판 모양 또는 고리 모양 전극인 것을 특징으로 하는 고속 원자빔 공급원.
8. 제 6항에 있어서, 상기 전자들과 이온들의 움직임을 활성화시키도록 상기 음극과 상기 양극 사이에 자계가 배치됨으로써, 플라즈마를 발생시키기 위한 가스의 이온화를 촉진시키는 것을 특징으로 하는 고속 원자빔 공급원.
9. 제 6항에 있어서, 상기 AC 전압은 고주파수 전계를 생성시키기 위한 고주파수전압이고, 상기 고주파수 전계는 가스전자들이 전계의 변화에 대응하여 이동될 수 있지만 가스이온들은 전계의 변화에 대응하여 이동할 수 없는 주파수를 가진 것을 특징으로 하는 고속 원자빔 공급원.
10. 제 9항에 있어서, 상기 음극과 양극 사이에 공간 내로 제공되는 상기 가스는 아르곤이고, 상기 고주파수 전계의 주파수는 약 13.56 MHz인 것을 특징으로 하는 고속 원자빔 공급원.