KR101296275B1 - 평균 자유 경로를 측정하는 장치, 진공계 및 평균 자유 경로를 측정하는 방법 - Google Patents

평균 자유 경로를 측정하는 장치, 진공계 및 평균 자유 경로를 측정하는 방법 Download PDF

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요시로 시오카와
메구미 나카무라
치앙 펑
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캐논 아네르바 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은 하전 입자의 평균 자유 경로를 직접적으로 측정할 수 있는 평균 자유 경로의 측정 장치, 진공계 및 평균 자유 경로의 측정 방법을 제공한다. 본 발명의 일실시예에 따른 평균 자유 경로의 측정 장치는 이온을 발생시키기 위한 이온원, 상기 이온원으로부터 0 이상의 비행거리인 제 1 비행거리(L1)를 갖는 하전 입자인 제 1 하전 입자의 수를 검출하기 위한 콜렉터(24a) 및 제 1 비행거리보다 긴 제 2 비행거리를 갖는 제 2 하전 입자의 수를 검출하기 위한 콜렉터(24b)를 포함한다. 상기 장치의 제어부는 제 1 및 제 2 하전 입자의 수 사이의 비율로부터 평균 자유 경로를 산출한다.

Description

평균 자유 경로를 측정하는 장치, 진공계 및 평균 자유 경로를 측정하는 방법{DEVICE FOR MEASURING MEAN FREE PATH, VACUUM GAUGE, AND METHOD FOR MEASURING MEAN FREE PATH}
본 발명은 평균 자유 경로를 측정하는 장치, 진공계 및 평균 자유 경로를 측정하는 방법에 관한 것이다.
가령, DRAM(s) 및 MRAM(s)과 같은 반도체 장치의 소형화는 점점 더 진행되고 있다. 이런 반도체 장치의 제조에서 미세 가공을 진행하기 위해, 가공되는 표면 또는 오목부에 이온을 수직으로 입사시키는 것이 매우 중요하다. 예컨대, 특허문헌 1의 도 5에 도시된 대로, 스퍼터링(sputtering)에 의해 고 종횡비를 갖는 홀을 매립함에 있어서, 홀 바닥에 대해 수직으로 스퍼터링 입자를 입사시키는 방법은 대체로 홀의 매입 특성에 영향을 미친다. 특허문헌 1의 도 5에 도시된 대로, 홀 바닥에 수직으로 입사되는 스퍼터링 입자의 수가 많을수록, 매입 특성이 더 개선된다.
이런 상태를 실현하기 위한 방법으로서, 이른바 이온 스퍼터링 방법이 있는데, 여기서 스퍼터링 입자는 어느 방법에 의해 이온화되며, 기판에 위치되는 기판 홀더에 대해 수직으로 입사된다(특허문헌 2 참조). 이온을 기판에 수직으로 입사하도록 하기 위해, 기판에 대한 음(negative)의 DC 바이어스 또는 RF 전력이 기판에 대한 음전압을 생성하도록 기판 홀더에 인가되며, 이로써 기판 홀더에 이온을 끌어당긴다. 이렇게 하여, 100 내지 수백 볼트의 전압이 발생되는 경우, 스퍼터링 입자의 열에너지가 기껏해야 약 0.1 eV로 간주되기 때문에, 타겟과 기판 홀더 사이에서 이온의 충돌이 발생하지 않는다면, 이온은 실질적으로 기판에 수직으로 입사한다.
그러나, 실제로, 이온은 타겟과 기판 홀더 간에 발생하는 또 다른 입자와의 충돌로 인해 산란되어, 넓어진 입사각을 가져온다.
따라서, 이온을 기판에 수직으로 입사시키기 위해, 이온을 가속화 영역에서 또 다른 입자와 충돌 없이 기판에 도달하도록 하는 것이 필수적이다.
여기서, 이온이 가속되는 영역은 음극 강하(cathode fall) 또는 음극 근처에 존재하는 시스(sheath)라고 불리는 영역이다. 방전 동안 발생되는 많은 전위의 변화는 이 부분에서 발생된다. 그 두께는 방전 공간, 기판 홀더에 인가되는 전력 등에서의 압력에 의존하며, 일반적으로 약 10에서 30mm이다.
따라서, 이온이 충돌 없이 음극 강하 또는 시스의 영역을 통과하게 된다면, 작은 발산각을 갖는 이온빔을 기판에 입사시키는 것이 가능하게 된다.
여기서, 입자가 충돌 없이 이동할 수 있는 평균 거리를 평균 자유 경로라고 한다.
실제 공정 가스에서 평균 자유 경로가 알려진다면, 음극 강하 또는 시스의 길이보다 더 긴 평균 자유 경로를 만들도록 공정 조건을 조정하여, 작은 발산각을 갖는 입사 이온이 얻어질 수 있다.
또한, 드라이 에칭에서도, 동일하게 적용가능하다. 고 이방성 형태를 가져오는 에칭을 수행하기 위해, 빔 형태로 에칭되도록 작은 발산각의 이온을 표면에 입사시키는 것이 필요하다. 이 경우에도, 실제 에칭 가스에서 평균 자유 경로가 알려진다면, 음극 강하 또는 시스의 길이보다 더 긴 평균 자유 경로를 만들도록 공정 조건을 조정하여, 작은 발산각의 이온빔을 에칭되는 표면에 입사시키는 것이 가능하게 된다.
[특허문헌 1] 일본특허공개공보 No. 8-203827
[특허문헌 2] 일본특허공개공보 No. 2001-35919
[특허문헌 3] 일본특허공개공보 No. 2001-165907
[비특허문헌 1] 존 에프 오핸런(John F. O'Hanlon)의 "진공 기술 매뉴얼(Vacuum Technology Manual)" (SANGYO TOSYO, pp 7 내지 10)
[비특허문헌 2] 히루 쿠마가이(Hiroo Kumagai) 외 3명의 "진공 과학 및 공학(Vacuum Science and Engineering)" (Shokabo, pp 43 내지 49)
상기 기술된 대로, 스퍼터링 또는 드라이 에칭을 수행하는 경우, 더 나은 가공을 수행하도록 평균 자유 경로를 얻는 것이 효율적이다.
종래에는, 소정의 가스 분위기에서 소정의 이온의 평균 자유 경로를 얻는 경우, 소정의 가스의 입자 직경 및 소정의 이온의 직경이 얻어지며, 이 값을 사용하여 가스 수 밀도 및 압력으로부터의 변환에 의해, 평균 자유 경로가 얻어진다(비특허문헌 1 및 2 참조). 즉, 이전에는 평균 자유 경로가 직접적으로 얻어지지 않고, 온도 및 가스의 입자 직경과 이온 직경으로부터 계산에 의해 간접적으로 얻어진다. 따라서, 이온이 이동하는 시스템의 온도, 이온의 직경 및 분위기 가스의 입자 직경이 알지 못하면, 평균 자유 경로가 얻어질 수 없다.
여기서, "가스 수 밀도(gas number density)"는 가스가 분자인 경우 단위부피당 분자의 수이며, 가스가 단원자 분자인 경우 단위부피당 원자의 수이다.
또한, 특히, 가스 또는 이온의 직경을 얻은 경우, 별도로 준비된 질량 분석계에 의해 존재하는 성분을 판정하고, 문헌 데이터로부터 직경을 얻는 것이 필요하며, 평균 자유 경로를 얻기 위한 계산의 이전 단계에서도, 상당한 수고가 요구된다. 게다가, 분위기 가스가 단일의 종류가 아닌 혼합 가스인 경우, 질량 분석계에 의해 성분의 존재 비율(성분비율)을 얻고, 가중치와 함께 계산을 수행하는 것이 필요하며, 이로써 최종 평균 자유 경로가 얻어진다.
상기 기술된 대로, 이온의 직경, 분위기 가스의 입자 직경 또는 온도를 알지 못하는 경우, 압력 및 가스 수 밀도로부터 평균 자유 경로로 변환하는 것이 어려워지며, 또는 심지어 이들을 알고 있는 경우에도 혼합 가스의 경우, 변환 계산이 복잡해진다.
평균 자유 경로는 다양한 분야에서 사용될 수 있으며, 스퍼터링 및 드라이 에칭에 한정되지 않는다.
예컨대, 평균 자유 경로는 진공도를 보여준다. 진공도(진공 레벨)를 나타내는 3가지 방법, 즉 "가스 수 밀도", "압력" 및 "평균 자유 경로"가 있으며, 종래까지 가스 수 밀도 또는 압력이 사용된다. 이들 3가지는 파라미터로서 분자 직경과 분위기 가스의 온도를 사용하여 서로 변환될 수 있으며, 이론적으로 동일한 양을 나타내나, 이용되는 현상은 완전히 분리되는 것으로 언급할 수 있을 정도로 다르다.
현재, 산업적으로 중요한 스퍼터링 및 드라이 에칭과 같은 공정에서는, 평균 자유 경로가 상기 3가지 중에서 직접 관련이 있으며, 다음으로 가스 수 밀도가 관련이 있다. 그 이유는, 가스(중성 분자)와 이온 사이의 충돌, 가스 그 자체 사이의 충돌 및 가스 흐름이 이 공정의 키를 구성하기 때문이다.
따라서, 평균 자유 경로가 직접적이고 정확하며 간단히 얻어질 수 있다면, 더 유용한 진공도의 표현이 가능하다.
상기 기술된 대로, 복잡한 계산과 측정 없이 간단하고 정확한 방법으로 다양한 분야에서 효율성을 나타내는 평균 자유 경로를 직접적으로 얻는 것이 매우 유용하더라도, 평균 자유 경로를 직접적으로 얻는 방법이 현재 확립되어 있지 않다.
본 발명은 이런 과제를 고려하여 달성되었으며, 하전 입자의 평균 자유 경로를 정확하고 간단히 측정할 수 있는, 평균 자유 경로의 측정 장치, 진공계 및 평균 자유 경로의 측정 방법을 제공하는 목적을 갖는다.
이 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 분위기 가스에서 하전 입자의 평균 자유 경로를 측정하는 장치로서, 하전 입자를 발생시키기 위한 발생원, 상기 발생원으로부터 0 이상의 비행거리인 제 1 비행거리를 갖는 제 1 하전 입자의 수를 검출하고 제 1 비행거리보다 더 긴 제 2 비행거리를 갖는 제 2 하전 입자의 수를 검출하기 위한 검출 수단 및 제 1 및 제 2 하전 입자의 수 사이의 비율로부터 평균 자유 경로를 산출하기 위한 산출 수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 진공도를 측정하는 진공계로서, 하전 입자를 발생시키기 위한 발생원, 상기 발생원으로부터 0 이상의 비행거리인 제 1 비행거리를 갖는 제 1 하전 입자의 수를 검출하고 제 1 비행거리보다 더 긴 제 2 비행거리를 갖는 제 2 하전 입자의 수를 검출하기 위한 검출 수단 및 제 1 및 제 2 하전 입자의 수 사이의 비율로부터 평균 자유 경로를 산출하기 위한 산출 수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 분위기 가스에서 하전 입자의 평균 자유 경로를 측정하는 장치로서, 하전 입자를 발생시키기 위한 발생원, 상기 발생원으로부터 0 이상의 비행거리인 제 1 비행거리를 갖는 제 1 하전 입자의 수를 검출하고 제 1 비행거리보다 더 긴 제 2 비행거리를 갖는 제 2 하전 입자의 수를 검출하기 위한 검출 수단 및 제 1 및 제 2 하전 입자의 검출된 수를 저장하기 위한 저장 수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 분위기 가스에서 하전 입자의 평균 자유 경로를 측정하는 장치로서, 하전 입자를 발생시키기 위한 발생원, 상기 발생원으로부터 0 이상의 비행거리인 제 1 비행거리를 갖는 제 1 하전 입자의 수를 검출하고 제 1 비행거리보다 더 긴 제 2 비행거리를 갖는 제 2 하전 입자의 수를 검출하기 위한 검출 수단 및 검출된 제 1 및 제 2 하전 입자의 수를 표시하기 위한 표시 수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 하전 입자를 발생시키기 위한 발생원, 상기 발생원으로부터 0 이상의 비행거리인 제 1 비행거리를 갖는 제 1 하전 입자의 수를 검출하고 제 1 비행거리보다 더 긴 제 2 비행거리를 갖는 제 2 하전 입자의 수를 검출하기 위한 검출 수단을 포함하는 장치를 제어하는 제어 장치로서, 상기 검출 수단이 제 1 및 제 2 하전 입자의 수를 검출하도록 하전 입자를 발생시키기 위해 발생원을 제어하는 수단, 제 1 및 제 2 하전 입자의 수를 얻기 위한 수단 및 얻어진 제 1 및 제 2 하전 입자의 수 사이의 비율로부터 평균 자유 경로를 산출하기 위한 산출 수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.
게다가, 본 발명은 분위기 가스에서 하전 입자의 평균 자유 경로를 측정하는 방법으로서, 발생원으로부터 상기 하전 입자를 발생시키는 단계, 상기 발생원으로부터 0 이상의 비행거리인 제 1 비행거리를 갖는 제 1 하전 입자의 수를 검출하고 제 1 비행거리보다 더 긴 제 2 비행거리를 갖는 제 2 하전 입자의 수를 검출하는 단계 및 제 1 및 제 2 하전 입자의 수 사이의 비율로부터 평균 자유 경로를 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 내용 중에 포함되어 있다.
도 1a는 본 발명의 기본적 원리를 나타내는 도면이다.
도 1b는 본 발명의 기본적 원리를 나타내는 도면이다.
도 2a는 본 발명의 기본적 원리를 나타내는 도면이다.
도 2b는 본 발명의 기본적 원리를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 기본적 구성을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 기본적 측정 절차를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 평균 자유 경로를 측정하는 장치를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 평균 자유 경로를 측정하는 장치를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 평균 자유 경로를 측정하는 장치를 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 제 3 실시예에서 동작을 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 제 4 실시예에 따른 평균 자유 경로를 측정하는 장치를 나타내는 도면이다.
도 10은 본 발명의 제 5 실시예에 따른 평균 자유 경로를 측정하는 장치를 나타내는 도면이다.
도 11a는 본 발명의 제 6 실시예에 따른 평균 자유 경로를 측정하는 장치를 나타내는 도면이다.
도 11b는 도 11a에 도시된 장치의 필라멘트/그리드의 제어 회로를 나타내는 도면이다.
도 12a는 본 발명의 제 7 실시예에 따른 평균 자유 경로를 측정하는 장치를 나타내는 도면이다.
도 12b는 도 12a에 도시된 장치의 필라멘트의 제어 회로를 나타내는 도면이다.
도 13a는 본 발명의 제 8 실시예에 따른 평균 자유 경로를 측정하는 장치를 나타내는 도면이다.
도 13b는 도 13a에 도시된 장치의 개별 전극의 형태를 나타내는 도면이다.
도 13c는 도 13b에서 라인 A의 전자빔의 궤도를 나타내는 도면이다.
도 13d는 도 13b에서 라인 B의 전자빔의 궤도를 나타내는 도면이다.
도 14a는 본 발명의 제 9 실시예에 따른 평균 자유 경로를 측정하는 장치를 나타내는 도면이다.
도 14b는 도 14a에 도시된 개별 전극의 형태 및 그 회로를 나타내는 도면이다.
도 15a는 본 발명의 제 10 실시예에 따른 평균 자유 경로를 측정하는 장치를 나타내는 도면이다.
도 15b는 도 15a에서 A-A' 라인에 따라 횡단면도이다.
도 16은 본 발명에 따른 평균 자유 경로를 측정하는 장치에서 제어 시스템의 개략적 구성을 나타내는 블록선도이다.
이하, 본 발명의 실시예는 도면을 참조하여 상세히 설명된다. 한편, 하기 설명된 도면에서, 동일한 기능을 갖는 것은 동일한 참조번호로 제시되며, 그에 대한 반복된 설명은 생략한다.
본 발명의 일실시예에서, 신규한 새로운 원리를 사용하여, 이온 및 전자와 같은 하전 입자의 평균 자유 경로가 직접적으로 얻어진다. 즉, 본 발명의 새로운 이론 특성의 기본은 분위기 가스인 중성 분자와 충돌하여 2개의 서로 다른 거리(더 짧은 거리는 0을 포함한다)를 이동하도록 야기된 하전 입자(이온 또는 전자)의 감쇠된 양을 측정하고, 그 비율로부터 하전 입자의 평균 자유 경로(하전 입자가 충돌 없이 나아갈 수 있는 거리의 평균값)를 산출하는 것이다.
이런 감쇠는 방사성 동위원소의 감쇠와 동일한 지수(exponential) 현상으로, 기존의 양은 항상 임의의 시간(비행거리)이 진행할 때 이전의 양의 임의의 퍼센트가 된다. 습관적으로, 방사성 동위원소의 경우, 기존의 양이 절반일 때까지의 시간은 반감기로서 정의되나, 평균 자유 경로의 경우, 1/e (0.37배)이 되는 비행거리가 평균 자유 경로로서 정의된다. 감쇠가 상기 기술된 대로 지수이기 때문에, 2개의 서로 다른 비행거리에서 감소된 양이 알려진 경우, 감쇠 강도의 수학적 산출(즉, 평균 자유 경로)이 가능하다.
한편, 추후 기술되는 개별 실시예에서, 중성 분자에서(소정의 분위기 가스에서) 하전 입자(이온 또는 전자)의 평균 자유 경로가 얻어진다. 하전 입자가 이온인 경우, 가스 분위기(중성 분자)에서 이온의 평균 자유 경로는 실질적으로 가스 분위기(중성 분자)에서 이온에 대응하는 중성 분자의 평균 자유 경로와 동일하다. 따라서, 소정의 가스 분위기(중성 분자)에서 소정의 이온의 평균 자유 경로를 얻음으로써, 소정의 가스 분위기(중성 분자)에서 소정의 이온에 대응하는 중성 분자의 평균 자유 경로는 얻어질 수 있다.
한편, "이온에 대응하는 중성 분자"는 이온의 이온화 전 중성 분자를 의미한다. 새로운 원리를 실현하는 기본 구조로서, 하전 입자를 발생시키기 위한 발생원으로부터 서로 다른 거리를 갖는 (예컨대, 이온원 및 전자원과 같은) 2개의 콜렉터(검출기)(더 짧은 거리는 발생원으로부터 0의 거리를 포함함)는 하전 입자의 비행축 상에 위치된다. 이 시점에, 2개의 콜렉터가 하전 입자의 동일한 비행축 상에 위치되는 경우, 더 근접한 콜렉터는 입사하는 하전 입자의 일부를 잡을 수 있는 메쉬 형태로서의 구조로 주어지므로, 하전 입자의 일부는 그곳을 투과하여 더 먼 콜렉터에 도달한다. 메쉬 및 비행거리의 투과율의 값이 정확히 알려지는 것이 충분하며, 따라서 그 값은 임의적이다.
2개의 콜렉터가 하전 입자의 서로 다른 비행축에 위치되는 경우, 하전 입자의 수는 2개의 콜렉터에 의해 측정된다. 이 경우, 발생원은 콜렉터의 수와 동등한 수로 준비될 수 있거나, 회전식 스테이지가 회전식 스테이지의 발생원으로부터 하전 입자를 각 콜렉터에 입사시키도록 회전되기 위해 하나의 발생원이 회전식 스테이지에 제공될 수 있다. 이 경우, 추후 기술되는 "감쇠 없는 교정"이 수행될 수 있다.
상기 기술된 대로, 본 발명에서는 2개의 콜렉터가 하전 입자의 동일한 비행축에서 제공되는가가 쟁점이 아니며, 발생원으로부터 서로 다른 거리에서 제공되는 적어도 2개의 콜렉터의 각각에 의해 하전 입자의 수를 측정하는 것이 중요하다. 그 이유는, 본 발명에서는 발생원에서 하전 입자의 발생량의 변형으로서 인자를 제거하기 위해 그 본질은 하전 입자의 수 사이의 비율을 사용하는 것이며, 그 비율을 얻기 위해, 발생원으로부터 서로 다른 거리에서 제공되는 적어도 2개의 콜렉터가 제공되기 때문이다.
한편, 콜렉터의 수는 2개로 제한되지 않으나, 적어도 3개일 수 있다(추후 기술되는 제 1 내지 제 9 실시예 참조). 게다가, 콜렉터의 수는 그 구조가 하전 입자의 적어도 2개의 비행거리를 측정되도록 하는 경우에만 1개일 수 있다(추후 기술되는 제 10 실시예 참조).
즉, 본 발명에서는, 그 본질이 하전 입자의 수 사이의 비율을 사용하여 평균 자유 경로를 얻는 것이며, 이를 위해, 제 1 비행거리(0 이상의 거리)까지 비행했던 하전 입자 중 제 1 하전 입자의 수가 검출되고, 게다가, 제 1 비행거리보다 긴 제 2 비행거리까지 비행했던 하전 입자 중 제 2 하전 입자의 수가 검출된다. 따라서, 제 1 및 제 2 하전 입자의 수가 측정될 수 있는 경우에만, 콜렉터의 수 및 구조가 임의적일 수 있다.
새로운 원리에서, 감쇠된 양의 절대값이 불필요하기 때문에, 단지 둘 사이의 비율만이 필요하며, 심지어 본래 하전 입자의 발생원에서 하전 입자의 양이 대개 변화하는 경우나 검출 측이 전극의 오염 또는 변형에 기인하여 변화하는 경우에도, 이들은 관계가 없다. 즉, 백 그라운드 및 변형/교란 요소는 거의 완전히 제거된다.
또한, 하전 입자의 감쇠된 양 사이의 비율에 부가하여, 평균 자유 경로를 산출하기 위해, 단지 비행거리만이 필요하며, 그 절대값은 쉽게 결정될 수 있으며 오염 및 열에 의해 변화되지 않는다. 결과적으로, 높은 정확성을 가지고 간단히 평균 자유 경로의 절대값을 얻는 것이 가능하게 된다. 즉, 이 원리는 말하자면 측정 표준을 통합하고 이를 비교하여 절대값이 얻어지는 것이라고 할 수 있다.
상기 기술된 대로, 새로운 원리에서, 검출 수단은 발생원으로부터 비행거리가 0m 이상(그러나, 거리의 단위는 임의적임)인 제 1 비행거리로 하전 입자를 검출하도록 구성되며, 제 1 비행거리보다 긴 제 2 비행거리의 하전 입자를 검출하도록 구성된다. 이런 구성으로서, 예컨대, 적어도 제 1 비행거리의 하전 입자를 검출하기 위한 제 1 콜렉터 및 제 2 비행거리의 하전 입자를 검출하기 위한 제 2 콜렉터가 제공된다. 또한, 예컨대, 검출 수단은 단일 컬렉터에 의한 제 1 비행거리의 하전 입자 및 제 2 비행거리의 하전 입자를 검출하도록 구성될 수 있다.
제 1 비행거리의 비행 후 검출된 하전 입자의 수와 제 2 비행거리의 비행 후 하전 입자의 수 사이의 비율에 기반하여, 제 1 비행거리(예컨대, 발생원에서 제 1 콜렉터까지의 거리) 및 제 2 비행거리(예컨대, 발생원에서 제 2 콜렉터까지의 거리)의 평균 자유 경로는 직접적으로 얻어진다. 따라서, 가변가능한 성분의 다양한 타입이 평균 자유 경로를 산출하기 위한 파라미터에 포함되지 않기 때문에, 평균 자유 경로는 정확하게 얻어질 수 있다. 게다가, 평균 자유 경로를 얻기 위해 분리된 측정(질량 분석) 등이 필요한 것은 아니기 때문에, 종래의 경우와 다르게, 평균 자유 경로는 간단하고 쉽게 얻어질 수 있다. 한편, 본 명세서에서는, 임의의 2개의 콜렉터에서, "제 1 콜렉터"는 가령 이온원과 같은 하전 입자의 발생원으로부터의 제 1 비행거리가 0 이상인 제 1 비행거리의 하전 입자를 검출하기 위한 콜렉터를 의미한다. 따라서, 발생원 내부에 제공되는 내부 콜렉터는 또한 제 1 콜렉터에 포함될 수 있다.
게다가, 본 명세서에서, "제 2 콜렉터"는 발생원으로부터의 비행거리가 제 1 비행거리보다 긴 제 2 비행거리의 하전 입자를 검출하기 위한 콜렉터이며, 이 콜렉터는 제 1 콜렉터의 거리보다 더 큰 발생원으로부터의 거리를 갖는다.
게다가, 본 명세서에서, "내부 콜렉터"는 이온원과 같은 하전 입자의 발생원 내부에 제공되는 콜렉터를 나타낸다. 따라서, 발생원 외부에 제공되는 콜렉터는 때때로 "외부 콜렉터"로 불린다.
본 발명에서, 2개의 콜렉터가 있는 경우, 발생원 측의(내부 콜렉터를 포함하는) 콜렉터는 제 1 콜렉터가 되며, 다른 콜렉터는 제 2 콜렉터가 된다. 한편, 3개 이상의 콜렉터가 있는 경우, 3개 이상의 콜렉터 중 하나(내부 콜렉터를 포함하나, 발생원으로부터 가장 멀리 떨어진 콜렉터를 배제함)는 제 1 콜렉터가 되며, 발생원으로부터 제 1 콜렉터인 콜렉터의 거리보다 더 먼 거리에 위치되는 콜렉터는 제 2 콜렉터가 된다.
본 발명에 따라, 평균 자유 경로는 정확하고 간단히 직접적으로 얻어질 수 있기 때문에, 더 정확한 평균 자유 경로의 값이 평균 자유 경로를 이용하는 다양한 분야에 적용될 수 있다. 예컨대, 스퍼터링 및 드라이 에칭에서, 에칭되는 기판 또는 표면에 대해 작은 발산각을 갖는 이온빔의 입사에 관하여, 정확하고 단순하게 조정 등을 수행하는 것이 가능하다.
또한, 예컨대, 이는 진공도를 측정하는 분야에 적용될 수 있다.
(진공도 측정에 관하여)
상기 기술된 대로, 진공도는 "가스 수 밀도", "압력" 및 "평균 자유 경로"의 3개의 양에 의해 나타낼 수 있다. 통상적으로, 진공도는 이온계(이온화 진공계) 등에 의해 가스 수 밀도를 측정하여 또는 다이아프램 진공계 등에 의해 압력(단위면적당 벽을 미는 힘)을 측정하여 얻어진다.
이온계에서, 고속 전자는 분위기 가스에 있는 중성 분자와 충돌하도록 이루어져 외각 전자를 튕겨서 분자를 이온화시키며, 이온은 이온량을 측정하도록 콜렉터(검출기)에 수집된다. 이온량은 분위기 가스의 가스 수 밀도에 비례하기 때문에, 전자의 에너지와 양 및 전극의 형태와 전위를 특정하면서, 측정된 이온량과 가스 수 밀도 사이의 관계(변환된 값)가 한 번 얻어지는 경우, 가스 수 밀도는 실제로 측정된 이온량으로부터 산출될 수 있다.
여기서, 이온량과 가스 수 밀도의 변환된 값을 일반적으로 감도라고 한다.
반면에, 다이아프램 진공계에서, 분위기 가스와 분위기 가스의 힘(압력)에 의해 내부에 제공되는 충분히 좋은 진공도의 영역 사이에 존재하는 다이아프램의 변형된 양은 (전기용량의 크기로서) 전기적으로 측정된다.
변형된 양은 분위기 가스의 압력에 의존하기 때문에, 동일한 방식으로, 변환 값 또는 변환 공식이 한 번 얻어지는 경우, 압력은 변형된 양으로부터 산출될 수 있다.
상기 기술한 대로, 상기 두 가지는 측정 원리에 있어서 다르며, 적용가능한 진공도의 서로 다른 영역을 가지나, 각각은 진공도(가스 수 밀도/압력)에 의존하는 양(이온량/변형된 양)으로부터 변환 값 또는 변환 공식에 의해 진공도를 산출한다는 점에서 동일하다.
따라서, 정확성을 보장하기 위해, 비례량의 절대값이 정확히 측정되고 변환값 또는 변환 공식이 변화되지 않는 것이 필수적이나, 장기간에 걸쳐 어떤 상태에서도 이를 보증하는 것은 불가능하다고 생각될 수 있다. 진공에서는 오염이 본질적으로 발생하기 쉬우며(본래, 막이 진공 공정을 효율적으로 만들기 위해 쉽게 부착된다), 일반적인 측정에서 기본이 되는 참조 샘플과의 비교 또는 샘플의 유무 차이로부터 백그라운드의 제거 및 변동/교란 요소가 채택될 수 없다는 문제가 있다.
이에 반하여, 본 발명에서, 평균 자유 경로는 적어도 2개의 콜렉터에 의해 검출된 하전 입자의 수 사이의 비율로 그리고 하전 입자의 비행거리로서 발생원에서 콜렉터까지의 거리로 얻어지기 때문에, 평균 자유 경로는 백그라운드 및 변동/교란 요소가 거의 완전하게 제거되는 방식으로 얻어질 수 있다. 본 발명에 따라, 평균 자유 경로가 진공도를 나타내기 때문에, 백그라운드 및 변동/교란 요소를 제거하면서, 진공도가 정확히 얻어질 수 있다.
게다가, 종래의 이온계에 의한 진공도의 측정에서는, 공간 전하의 영향 때문에, 정확도가 1Pa 이상에서 낮아지기 시작하며, 약 10Pa 정도가 측정 한계이다. 반면에, 다이아프램 진공계에 의한 진공도의 측정에서는, 다이아프램의 변형량이 미소하게 되기 때문에, 정확도가 1Pa 이하에서 낮아지기 시작하며, 약 0.1Pa 정도가 측정 한계가 된다. 두 계측기 모두에서, 정확도는 스퍼터링 및 드라이 에칭에 빈번히 사용되는 대략 1Pa의 진공도에서 저하되기 때문에, 이 영역에서 진공도를 정확히 측정할 수 있는 진공계가 강하게 요구된다.
이에 반하여, 본 발명에서 진공도로서 평균 자유 경로는 공간 전하와 거의 관계 없이 직접적으로 얻어지며, 또한 다이아프램의 사용 없이, 진공도(평균 자유 경로)가 임의의 전공도에서 정확히 얻어질 수 있다. 그 결과, 대략 1Pa의 진공도는 만족할 만하게 측정될 수 있다.
상기 기술된 대로, 종래 이온계 및 다이아프램 진공계 모두는 진공도(가스 수 밀도/압력)에 비례하는 양(이온량/변환량)을 변환값 또는 변환 공식에 의한 진공도로 변환하며, 비례량의 절대값이 정확히 측정되고 변환값 또는 변환 공식은 변경되지 않는 그런 2가지가 정확도를 확보하는데 필수적이다. 그러나, 본 발명의 특징적인 새로운 측정 원리는 상기 2가지가 요구되지 않고, 또한 교란 요소를 제거하면서 진공도(평균 자유 경로)의 절대값을 얻는 것을 가능하게 하는 것이다.
한편, 현재, 진공 레벨을 나타내는 "진공도"와 진공도의 하나의 표현인 "압력"은 동일한 의미로 종종 사용되나, 본 명세서에서는 이들이 엄격히 구별되어 사용되어야 한다. 게다가, 종종, 압력이 낮은 상태(저압)는 진공도가 높은 상태(고진공)로 표현되며, 압력이 높은 상태(고압)는 진공도가 낮은 상태(저진공)로 표현된다. 그러나, 혼란을 피하기 위해, 본 명세서에서는 압력이 낮은 상태가 "진공도가 우수하다"고 표현되며, 압력이 높은 상태는 "진공도가 열등하다"고 표현되어야 한다.
일반적인 설명은 상기와 같으며, 더 상세한 설명은 매 항목 동안 제공될 것이다.
한편, 하기의 설명에서는 이온이 하전 입자로서 사용되는 경우가 설명되나, 말할 나위 없이, 하전 입자는 전자일 수 있다.
1) 계산식
먼저, 계산을 간단히 하기 위해, 이온원에서 발생된 이온의 수가 진공도에 관계없이 일정하다고 간주된다.
감쇠 전 이온의 수는 I0로 표시되며, 비행거리(L1)의 감쇠 후 이온의 수는 IL1로 표시되고, 비행거리(L2)의 감쇠 후 이온의 수는 IL2로 표시되며, 평균 자유 경로는 λ로 표시된다. 이는 도 1a에 개략적으로 도시된다.
도 1a는 진공도에 관계없이, 이온원의 경우에서 평균 자유 경로를 얻기 위한 본 발명의 원리를 설명하는 개략도이다. 도 1a에서, 제 1 콜렉터로서 콜렉터(12a)는 이온원(11a)으로부터 거리(L1)의 위치에 배치되며, 제 2 콜렉터로서 콜렉터(12b)는 이온원(11b)으로부터 거리(L2)(L2>L1)의 위치에 배치된다. 이온원(11a 및 11b)의 각각은 동일한 이온 수(I0)로 이온을 발생시킨다.
한편, 도 1a는 본 발명의 원리를 나타내는 개념도이며, 이온원(11a)으로부터 출력된 이온이 비행거리(L1) 만큼 비행하여 콜렉터(12a)로 입력되며, 콜렉터(12a)는 감쇠 후 이온 수(IL1)를 검출하고, 이온원(11b)으로부터 출력된 이온이 비행거리(L2) 만큼 비행하여 콜렉터(12b)로 입력되며, 콜렉터(12b)는 감쇠 후 이온 수(IL2)를 검출한다. 따라서, 동일한 영역(동일한 진공도 및 동일한 온도의 영역)에서, 콜렉터(12a 및 12b)는 이온의 동일한 비행축에 배치될 수 있거나(이 경우, 단일 이온원이 이온원(11a) 및 이온원(11b)으로서 기능한다), 도 1a에 도시된 대로, 콜렉터(12a 및 12b)는 이온의 서로 다른 비행축에 배치될 수 있다. 그러나, 후자의 경우, 추후 기술되는 "무감쇠 교정"이 바람직하게는 수행된다.
그러면,
IL1 = I0 ×exp(-L1/λ) (1)
IL2 = I0 ×exp(-L2/λ) (2)
식(1) 또는 (2)로부터,
λ = -L1/ln(IL1/I0) (3)
λ = -L2/ln(IL2/I0) (4)
이 얻어진다. 한편, "ln"은 자연로그를 의미한다. 식(3) 및 (4)로부터, 평균 자유 경로(λ)는 한 콜렉터에서 감쇠 후에 이온 수로부터 얻어질 수 있다.
또한, 식(1) 및 (2)로부터,
λ = (L2-L1)/ln(IL1/IL2) (5)
가 얻어진다. 식(5)로부터, 평균 자유 경로는 2개의 콜렉터 사이에서 감쇠 후 이온의 수를 비교하여 얻어진다. 한편, 식(5)은 I0와 관계가 없기 때문에, 큰 정확도를 갖는 측정이 기대된다. 즉, 식(5)가 사용되는 경우, 심지어 원치 않는 변동이 발생하는 경우(I0가 갑자기 변동하는 경우)에도, 이런 변동은 평균 자유 경로를 얻기 위한 파라미터에 포함되지 않기 때문에, 정확한 평균 자유 경로가 변동이 발생한 경우에도 얻어질 수 있다.
2) 감쇠 곡선
도 1b의 그래프는 도 1a의 비행으로 인한 이온 수의 감쇠 상황을 나타낸다. 수평축은 분위기의 진공도를 나타내며, 수직축은 비행 후 이온 수를 나타낸다. 한편, 수평축은, 우측으로 갈수록 진공도가 더 열등하도록, 즉 가스 수 밀도가 더 크도록 도시되며, 평균 자유 경로는 수평축에서 가스 수 밀도와 반비례하기 때문에, 우측으로 갈수록 평균 자유 경로가 더 짧아진다(즉, 평균 자유 경로의 역수로 간주된다). 도 1b에서, 참조번호(13)는 비행거리가 짧은 경우 이온 수(IL1)와 진공도(평균 자유 경로) 사이의 관계를 나타내는 그래프를 표시하며, 참조번호(14)는 비행거리가 긴 경우 이온 수(IL2)와 진공도(평균 자유 경로) 사이의 관계를 나타내는 그래프를 표시한다.
평균 자유 경로가 비행거리보다 충분히 긴 경우(도 1b의 좌측 절반), 이온 수는 일정, 즉 가스 수 밀도에 의존하지 않으나, 평균 자유 경로가 비행거리보다 짧은 경우(도 1b의 우측 절반), 비행 후 이온 수는 감소(감쇠)된다. 진공도가 우수한 상태에서 열등한 상태로 변경되는 경우(수평축에서 좌측으로부터 우측으로 이동되는 경우), 감쇠가 시작(정확하게는, 감쇠가 현저해지기 시작)할 때의 진공도는 평균 자유 경로가 비행거리만큼 짧게 되는 그 시점이다. 따라서, 더 긴 비행거리는 더 긴 평균 자유 경로에서(즉, 더 낮은 가스 수 밀도에서 = 더 우수한 진공도에서 = 수평축으로 더 좌측에서) 감쇠의 시작을 초래한다. 참조번호(13) 및 (14)에서 알 수 있는 바와 같이, 감쇠 그 자체의 형태는 비행거리와 관계없이 동일하다. 비행 후 이온 수를 나타내는 식(1) 및 (2)에서 L1과 λ사이의 비율이 지수 형태이라는 점이 이런 감쇠 상황의 원인이다.
3) 진공도 종속성이 존재하는 경우
식(1) 내지 (5)에서는, 이온원에서 발생된 이온의 수는 진공도에 의존하지 않으나, 이온계 및 가장 일반적인 이온계에 기반한 이온원에서 이온 수는 진공도에 따라 변화한다고 가정된다. 즉, 상세히 설명하면, 도 2b에 좌측 부분에서처럼, 이온 전류의 변화는 진공도의 비례 성분을 도 1b의 곡선에 곱하여 주어진 형태이다. 도 2a는 이온 전류가 진공도에 의존하는 이온원의 경우에 평균 자유 경로를 얻기 위한 본 발명의 원리를 설명하는 개략도이며, 도 2b는 이온 수가 비행에 기인하여 감쇠하는 상황을 설명하기 위한 도면이다.
도 2a에서, 진공도 의존형 이온원(21a)은 그리드(22a) 및 필라멘트(23a)를 포함하며, 이온원(21a)으로부터 거리(L1)의 위치에 제 1 콜렉터로서 콜렉터(24a)는 배치된다. 이온원(21a)에서 출력된 이온빔(25)은 콜렉터(24a)로 입력된다. 또한, 진공도 의존형 이온원(21b)은 그리드(22b) 및 필라멘트(23b)를 포함하며, 이온원(21b)으로부터 거리(L2)의 위치에 제 2 콜렉터로서 콜렉터(24b)가 배치된다. 이온원(21b)에서 출력된 이온빔(25)은 콜렉터(24b)로 입력된다.
한편, 도 2a는 도 1a와 동일한 방식으로 본 발명의 원리를 나타내는 개념도이다. 따라서, 동일한 영역(동일한 진공도 및 동일한 온도의 영역)에서, 콜렉터(24a 및 24b)는 이온의 동일한 비행축에 배치될 수 있거나(이 경우, 단일 이온원이 이온원(21a) 및 이온원(21b)로서 기능한다), 도 2a에 도시된 대로, 콜렉터(24a 및 24b)는 이온의 다른 비행축에 배치될 수 있다. 그러나, 후자의 경우, 추후 기술되는 "무감쇠 교정"이 바람직하게는 수행된다.
도 2b에서, 참조번호(26)는, 즉 충돌이 없다는 가정하에, 감쇠 전 이온원의 이온 전류와 진공도 사이의 관계를 나타내는 그래프를 표시하며, 참조번호(27)는 비행거리가 짧은 경우 감쇠 후 이온 전류(콜렉터(24a)에 의해 검출되는 이온 전류)와 진공도 사이의 관계를 나타내는 그래프를 표시하고, 참조번호(28)는 비행거리가 긴 경우 감쇠 후 이온 전류(콜렉터(24b)에 의해 검출되는 이온 전류)와 진공도 사이의 관계를 나타내는 그래프를 표시한다.
상기 기술된 대로, 이온원이 진공도에 의존하는 경우에도, 식(3) 및 (4)에서는 자연로그의 분모가 I0이며, 동시에 분자인 IL1 및 IL2가 I0에 비례하므로, I0가 진공도에 의존성을 가진다고 하더라도 관계가 없다. 게다가, 식(5)에서 I0는 본래 소멸한다. 그 결과, 진공도 의존성을 갖는 이온원이 사용되는 경우에도, 계산식으로서 식(3), (4) 및 (5)가 직접적으로 사용될 수 있다.
4) 진공도 의존성을 갖는 이온원
도 2a에 도시된, 진공도 의존성을 갖는 이온원(21a 및 21b)이 일반적이기 때문에, 이들이 설명된다. 이온원(21a)은 실린더형이며, 격자 형태처럼 전자를 투과시키도록 하는 형태의 그리드(22a) 및 가열로 열전자를 방출시키는 필라멘트(23a)를 포함한다. +100V의 전압이 그리드(22a)에 인가되며, 약 +30V가 필라멘트(23a)에 인가된다. 필라멘트(23a)로부터 방출된 전자는 그리드(22a)로 나아가며, 대부분의 전자는 그리드(22a)의 내부로 들어가, 거기서 분위기 가스와 충돌하여 양전하의 이온을 발생시킨다. 이온이 실질적으로 그리드(22a)의 전위(+100V)에서 발생되기 때문에, 이들은 대지 전위의 콜렉터(24a)를 향해 나아가며, 콜렉터(24a)로 흐르는 전류는 발생된 이온 수(이온 전류)이다. 한편, 이온원(21b)은 동일하다.
비행 전 이온 수(I0)를 얻기 위해, 콜렉터(내부 콜렉터)는 그리드(22a 및 22b)로 삽입되어 이온 전류를 측정한다. 이런 구조는 B-A 계측기만큼 널리 알려진 이온계와 동일하다. 도 3은 (이온원의) 감쇠 전 이온 수(I0)(이온 전류)의 측정을 설명하기 위한 도면이다. 도 3에 도시된 대로, 내부 콜렉터(31)를 그리드(22a)(22b)로 삽입함에 의해, 이온을 방출하도록 필라멘트(23a)(23b)가 전자를 방출하게 하며, 내부 콜렉터(31)로 이온을 측정하여, 이온 수(I0)가 얻어질 수 있다.
비행 후 이온 수(IL1 및 IL2)를 얻기 위해, 이온 전류는 임의의 거리만큼 그리드(22a 및 22b)로부터 이격된 위치에 콜렉터(외부 콜렉터)를 배치하여 측정된다. 이런 구조는 도 2a에 도시된 구조로 이끈다.
5) 평균 자유 경로를 얻기 위한 제 1 방법
진공도 의존성을 갖는 이온원을 사용하여 평균 자유 경로를 얻기 위한 방법이 설명된다. 그러나, 단순화를 위해, 다음의 3가지 포인트가 만족됨을 가정한다.
α: 측정에 이용되는 이온원은 동일한 진공도 및 동일한 온도의 영역에 위치된다.
β: 측정에 이용되는 이온원은 동일한 수의 이온을 발생시킨다.
γ: 개별 콜렉터(검출기)의 이온 검출 효율은 동등하다.
도 4는 도 2b에서와 동일한 그래프를 나타내나, 구체적 숫자가 표시된다. 도 4에서 수평축은 Pa로 표시되는 진공도를 나타낸다(약 100,000Pa이 대기압이다). 수직축은 이온 전류를 나타내며, 임의의 단위로 표시된다.
또한, 도 4의 경우, 도 2a에 있어서도, 단비행거리(L1)은 8mm이며, 장비행거리(L2)는 60mm이고, 각각의 비행에 의해 감쇠된 이온 전류가 도시된다. 감쇠 전 이온 전류는 직선으로 도시된다. 가스로서, N2이 사용된다.
즉, 도 4에서 참조번호(41)는, 즉 이온원의 내부 콜렉터(31)에 의해 감쇠 전 검출되는 이온 전류와 진공도 사이의 관계를 나타내는 그래프를 표시한다. 참조번호(42)는 비행거리(L1) = 8mm(콜렉터(24a)에 의해 검출된 이온 전류)인 경우 감쇠 후 이온 전류와 진공도 사이의 관계를 나타내는 그래프를 표시한다. 또한, 참조번호(43)는 비행거리(L2) = 60mm(콜렉터(24b)에 의해 검출된 이온 전류)인 경우 감쇠 후 이온 전류와 진공도 사이의 관계를 나타내는 그래프를 표시한다.
도 4에서, 진공도는 라인(A)(0.1Pa) 상에 있는 것으로 가정된다. 진공도에서 이온 전류는 도 4에서 감쇠 전 내부 콜렉터(31)에 의해 1.1(임의의 단위에서, 이하 동일함)이며, 60mm만큼 이온의 비행에 기인한 감쇠 후 콜렉터(24b)에 의해 0.4이다. 이들을 식(4)로 치환하면,
λ= -60/ln(0.4/1.1) = 60이 되며, 평균 자유 경로는 60mm로 산출된다(이 경우, 평균 자유 경로와 비행거리가 동일하기 때문에, 이온 전류는 1/e: 0.37배로 감쇠된다).
또한, 도 4에서, 진공도가 라인(B)(0.2Pa) 상에 있는 것으로 가정된다. 진공도에서 이온 전류는 도 4에서 감쇠 전 내부 콜렉터(31)에 의해 2.4이며, 60mm만큼 이온의 비행에 기인한 감쇠 후 콜렉터(24b)에 의해 0.33이다. 이들을 식(4)로 치환하면,
λ= -60/ln(0.33/2.4) = 30이 되며, 평균 자유 경로는 30mm로 산출된다.
반면에, 도 4에서, 진공도가 라인(C)(1Pa) 상에 있는 것으로 가정되는 경우, 비행거리 60mm에 기인한 감쇠가 크고 측정에서 에러가 발생할 수 있기 때문에, 비행거리 8mm에서의 값이 사용된다. 진공도에서 이온 전류는 도 4에서 감쇠 전 내부 콜렉터(31)에 의해 12이며, 8mm만큼 이온의 비행에 기인한 감쇠 후 콜렉터(24a)에 의해 3.3이다. 이들을 식(4)로 치환하면,
λ= -8/ln(3.3/12) = 6이 되며, 평균 자유 경로는 6mm로 산출된다.
또한, 도 4에서, 진공도가 라인(D)(2Pa) 상에 있는 것으로 가정된다. 진공도에서 이온 전류는 도 4에서 감쇠 전 내부 콜렉터(31)에 의해 25이며, 6mm만큼 이온의 비행에 기인한 감쇠 후 콜렉터(24a)에 의해 1.8이다. 이들을 식(4)로 치환하면,
λ= -8/ln(1.8/25) = 3이 되며, 평균 자유 경로는 3mm로 산출된다.
6) 평균 자유 경로를 얻기 위한 제 2 방법
상기 계산에서, 비행거리 0에서의 값은 감쇠 전 값으로 설정되나, 콜렉터(24a 및 24b) 사이의 비행에 기인한 감쇠에 주목하면서, 또한 감쇠 전 값으로서 콜렉터(24a)에 의한 값 및 감쇠 후 값으로서 콜렉터(24b)에 의한 값을 설정하는 것도 가능하다. 이 경우, 이온원으로부터 인출 효율과 같은 영향이 포함되어 있지 않기 때문에, 더 높은 정확도가 주어진다. 이는 식(5)에 대응한다.
도 4에서, 진공도가 라인(B)(0.2Pa) 상에 있다고 가정되는 경우, 도 4로부터 이온 전류는 콜렉터(24a)로 1.8, 콜렉터(24b)로 0.33이기 때문에, 식(5)로부터,
λ= (60-8)/ln(0.33/1.8) = 30이 되며, 평균 자유 경로는 30mm로 산출된다.
한편, 도 4의 점선(44)은 52mm의 비행거리에 감쇠 곡선이며, 이것의 사용과 식(3)은 동일한 값(수학적 동등)을 제공한다.
7) 평균 자유 경로, 가스 수 밀도 및 압력
진공도를 나타내는 평균 자유 경로, 가수 수 밀도 및 압력, 이 3가지는 아래의 식에 의해 변환될 수 있다.
가스 수 밀도: n = K1×1/(d2×λ) (6)
압력: P = K2×n×T = K3×T/(d2×λ) (7)
여기서, λ는 평균 자유 경로(m), d; 주성분의 분자 직경(m), T; 온도(절대온도: K)를 나타내며, P(압력)의 단위는 Pa(1 N/㎡)이다. 상수에 대해서는, K1 = 1/(√2·π) = 0.225, K2 = 1.38 ×10-23J/K (볼츠만 상수), 및 K3 = K1·K2 이다.
즉, 평균 자유 경로에서 가스 수 밀도로 변환하기 위해, 분자 직경이 필요하며, 가스의 종류는 알려져야 한다. 혼합 가스의 경우, 모든 가스에 대한 계산이 요구된다. 게다가, 압력으로 변환되기 위해, 온도가 추가로 필요하다.
한편, 분자 직경은 충돌과 연결된 값(유효 직경)이기 때문에, 엄밀히 말해서, 중성 분자들 사이의 평균 자유 경로는 이온과 중성 분자 사이의 평균 자유 경로와 다르며, 평균 자유 경로는 또한 이온의 운동에너지(속도)에 따라 변하나, 실제적으로 이들은 동일하게 간주될 수 있다. 그러나, 추후 기술되는 전자가 상당히 다른 유효 직경을 가지기 때문에, 전자의 평균 자유 경로는 5.6배가 된다.
8) 복합형 이온원
단일의 이온원이 비행거리 0의 이온을 측정하는 이온원(B-A 계측기) 및 외부 콜렉터로 검출되는 이온의 출력 모두로서 기능할 수 있다면, 상기 전제 가운데, 필요조건 "α: 측정에 이용되는 이온원은 동일한 진공도 및 동일한 온도의 영역에 위치된다"가 확실히 만족되며, 필요조건 "β: 측정에 이용되는 이온원은 동일한 수의 이온을 발생시킨다"도 실질적으로 만족된다. 또한, 경제성, 조작성 및 크기의 장점이 크다.
이런 이온원으로서, 특허문헌 3에 개시된 복합형 이온원이 적응한다. 복합형 이온원은 기본적 구조에서 보통의 B-A 계측기와 동일하며, 열전자를 방출하기 위한 필라멘트, 이온을 내부로 발생시키도록 전자를 인출하기 위한 그리드 및 발생된 이온이 흐르는 콜렉터를 포함한다. 그러나, 보통의 B-A 계측기에서, 콜렉터의 길이는 실질적으로 그리드의 길이(축방향의 길이)와 동일(적어도 4/5)하도록 설정되나, 복합형 이온원에서는 콜렉터의 길이가 그리드의 길이보다 더 짧도록, 바람직하게는 절반으로 설정된다. 보통의 B-A 계측기의 이런 구조(콜렉터 길이)는 그리드에서 발생되는 가능한 한 많은 이온을 수집하는 것을 목적으로 하나, 진공계의 특성과 같이 필수적인 것은 아니다. 또한, 절반의 콜렉터를 갖는 복합형 이온원에서도 역시, 감도(변환값)가 약 절반일지라도 진공계로서 충분한 실용 성능이 확보될 수 있다.
반면에, 이온원(즉, 이온을 인출하고 이용하기 위한 장치)으로서 역시, 복합형 이온원은 충분한 실용 성능을 확보한다. 또한, 콜렉터를 전혀 갖지 않는 이온원(B-A형 이온원이라 함)이 일반적이며, 이와 비교하여, 복합형 이온원은 이온원으로서 이온원 관련 성능(이온량 등)에서 충분히 기능함이 확인되었다.
필라멘트의 길이가 그리드의 길이와 실질적으로 동일하며, 전체 축방향에서 실질적으로 균일하게 이온을 발생시키도록 전자가 축방향의 전체에서 실질적으로 균등한 양의 그리드 내부로 입사하는 것이 그 이유이다. 또한, 콜렉터의 길이가 그리드의 길이와 실질적으로 동일한 경우, 발생된 이온의 거의 모든 양이 콜렉터로 흐른다. 반면에, 콜렉터의 길이가 그리드의 길이의 단지 절반인 경우, 실질적으로 절반의 이온이 콜렉터로 수집되며, 다른 이온은 축방향에서 그리드의 외부로 방출된다.
진공계로서 감도(변환값)가 종래의 것에 절반임을 제외하고는 복합형 이온원이 종래의 것과 실질적으로 동일한 성능을 가지며, 이온원으로서 충분히 기능한다는 것이 확인된다.
게다가, 내부 콜렉터에 의해 측정된 이온량과 실질적으로 동일한 양의 이온이 빔으로서 외부로 방출되기 때문에, 감쇠 전 이온 전류(I0)는 내부 콜렉터로 측정될 수 있다. 그러나, 엄밀히 동일한 양이 아닌, 차이는 바람직하게 추후 기술되는 "무감쇠 교정"에 의해 보정된다.
한편, 제 1 내지 제 3 실시예에서(도 5 내지 7), 복합형 이온원이 채택된다.
9) 제 1 콜렉터(콜렉터 (12a, 24a 등))의 투과화
본 측정 방법에서, 반드시 2 이상의 콜렉터(검출기)가 필요하나, 그들의 각각에 대한 이온원(이온빔)을 준비하는 것은 실용적이 아니다. 이런 과제를 해결하기 위해, 하나의 이온원(이온빔)에 대해 직렬로 2개의 콜렉터를 설치하며(이온의 동일한 비행축에 2개의 콜렉터를 배치하며), 이온원에 더 근접한 제 1 콜렉터에 의해 일부의 이온을 검출하나, 나머지 이온을 직접적으로 통과하도록 하여 제 1 콜렉터보다 더 먼 위치에 있는 제 2 콜렉터를 향해 나아가게 하는 것이 충분하다. 예컨대, 적어도 하나의 작은 윈도우를 갖는 메쉬(mesh-like) 또는 슬릿(slit-like)과 같은 구조가 제 1 콜렉터에 주어진다. 대안으로, 제 1 콜렉터는 박막으로 형성되어진 전기전도성 부재일 수 있다(예컨대, 실리콘 박막). 예정된 조건하에, 하전 입자가 전기전도성 박막에 입사하는 경우, 하전 입자의 일부는 전기전도성 박막에 의해 포획되며, 그 다른 부분은 막을 직접적으로 투과한다. 상기 기술된 대로, 본 발명에서는, 투과형 제 1 콜렉터로서, 임의의 부재는 입사하는 하전 입자의 일부를 검출하고 그 다른 부분은 부재를 투과하도록 할 수 있는 경우에만 그 부재가 사용될 수 있다. 또한, 평균 자유 경로를 산출하기 위해, 본래의 전류가 제 1 콜렉터에 의한 이온의 검출 비율을 기초로 교정된다.
결과적으로, 다른 비행거리에 기인한 감쇠는 동일한 이온빔을 사용하는 동안 알려질 수 있기 때문에, 경제성 및 크기의 관점뿐만 아니라 성능의 관점에서 현저한 향상이 기대될 수 있다. 즉, 이온빔의 특성(가령, 강도 및 이온 종류)이 바뀔지라도 이런 변화는 동일한 방식으로 두 콜렉터 모두에 영향을 미치기 때문에 전적으로 관련이 없다.
평균 자유 경로의 산출을 위해, 2개의 콜렉터의 검출 효율이 동일하다(전제 γ)는 것이 필수적일지라도, 또한 미리 개별 검출 효율을 얻고 이들 효율을 사용하여 측정된 값을 교정하는 것이 가능하다. 실제로, 진공도가 충분히 우수한 경우(감쇠가 발생하지 않음)에 두 콜렉터 모두의 이온 전류 사이의 비율이 미리 얻어지는 경우, 이들은 개별적인 본래의 검출 효율로서 작동하기 때문에, 측정된 값을 이 값으로 나누는 것이 효율적이다. 예컨대, 이런 구성은 이온의 40%가 제 1 콜렉터에서 측정되고 이온의 나머지 60%는 직접 투과하여 제 2 콜렉터에서 측정되도록 제 2 콜렉터에 도달한다. 이런 구성에서, 제 1 콜렉터와 제 2 콜렉터의 이온 전류 사이의 비율은, 감쇠가 존재하지 않는(분위기 가스와 충돌이 없는) 경우, 당연히 4 내지 6이다. 이런 구성에서, 감쇠가 존재하는 경우 이온 전류 비율이 8 내지 2가 된다면, IL1 내지 IL2는 2(=8÷4) 내지 0.33(=2÷6)으로 계산될 수 있다. 일반적으로, 감쇠가 없는 경우 a 내지 b이고 감쇠가 있는 경우 d 내지 e가 되는 경우, IL1 내지 IL2는 (d/a) 내지 (e/b)이다.
이는 실질적으로 상기 언급된 필요조건, "β: 측정에 이용되는 이온원은 동일한 수의 이온을 발생시킨다" 및 "γ: 개별 콜렉터의 이온 검출 효율은 동등하다"를 만족할 수 있다. 한편, 감쇠 없는 이온 전류 비율이 메쉬(또는 작은 윈도우 면적 비율)의 투과율과 같은 디자인 데이터로부터 추정될 수 있을지라도, 실제 측정으로 더 정확히 측정될 수 있다(다음 항목에서 무감쇠 교정).
제 1 내지 제 8 실시예에서(도 5 내지 7, 9 내지 11 및 13 내지 15), 투과형 제 1 콜렉터가 채택된다.
10) 무감쇠 교정
더 높은 정확도를 실현하기 위해, 항목 9)의 투과형 제 1 콜렉터에서 물리적 이온 검출의 비율 교정뿐만 아니라 전기적 검출 비율의 교정(2개의 측정 회로의 증폭률의 차이)이 필요하다. 또한, I0(내부 콜렉터의 값)가 사용되는 경우, 내부 및 외부 콜렉터의 비율 교정은 필수적이다. 특히, 오염이 현저한 환경에서, 투과형 제 1 콜렉터의 개구(예컨대, 메쉬)의 투과율의 변화가 염려된다.
그러나, 모든 이런 요인은 하기의 방법에 의해 쉽게 교정될 수 있다. 먼저, 개별 콜렉터에 의한 이온 전류는 감쇠가 무시될 수 있는 우수한 진공도의 상태에서 측정되며, 그 값은 미리 초기값(감쇠가 없는 값)으로 설정된다. 그 다음, 실제 측정에서 개별적인 실제 측정된 이온 전류를 초기값으로 이온 전류를 나누어 얻어진 값으로 정규화한 후, 계산이 수행된다. 항목 9)와 동일한 방법으로, 감쇠가 없는 경우 a 내지 b이고 감쇠가 있는 경우 d 내지 e인 경우, IL1 내지 IL2는 (d/a) 내지 (e/b)이다.
초기값을 얻기 위한 공정은 "무감쇠 교정"이라 해야 한다. 즉, 감쇠 없는 교정은 제 1 진공도의 상태(예컨대, 우수한 진공도 상태)에서 제 1 콜렉터 및 제 2 콜렉터로 검출된 하전 입자의 수의 비율에 의해 제 2 진공도의 상태(제 1 진공도보다 더 열등한 진공도의 상태)에서 제 1 콜렉터 및 제 2 콜렉터에 검출된 하전 입자의 수의 비율을 교정하는 것이다.
무감쇠 교정을 위해 필요한 진공도에 있어서, 감쇠는 일반적으로 많아야 1/10이 되는 상태가 요구된다. 즉, 비행거리가 60mm인 경우, 많아야 0.005Pa(도 4에 따라, 0.005Pa에서 L=60mm의 감쇠 후 그래프와 L=0mm의 감쇠 전 그래프(도 4에서 참조번호(41))가 실질적으로 서로 만나며, 거의 감쇠가 존재하지 않는다고 인식됨)이 필요하나, 스퍼터링 방법에서는, 우수한 진공도의 상태가 반드시 일단 설정된 후 가스가 주입되며 공정이 시작되기 때문에, 무감쇠 교정이 자동적으로 매 주기마다 수행되도록 하기 위해 설정하는 것도 또한 가능하다.
11) 진공도의 범위
판독 에러의 관점으로부터, 2개의 비행거리에서 이온 전류 사이의 비율은 바람직하게 일반적으로 측정이 수행되는 진공도의 범위에서 1.2배 이상, 100배 이내, 즉 2개의 비행거리의 차이가 평균 자유 경로의 약 0.2배에서 4배까지이다(약 0.2배 및 4배의 값은 ln(IL1/IL2) = (L2-L1)/λ, ln1.2 = 0.18 < 0.2 및 ln100 = 4.6 > 4로 부터 계산된다). 예컨대, 제 1 비행거리가 8mm이고 제 1 및 제 2 콜렉터에 의한 제 2 비행거리가 60mm인 경우, 2개의 비행거리의 차이는 52mm이다. 그 다음, 바람직하게는 52mm(비행거리의 차이)는 평균 자유 경로의 약 0.2배 내지 4배 이내에 있기 때문에, 진공도의 적용가능한 범위는 52mm의 5배(0.2배의 역수) 내지 0.25배(4배의 역수)의 평균 자유 경로, 즉 260mm에서 13mm까지의 평균 자유 경로를 제공하는 범위이다. 압력 표시로는 0.03Pa 내지 0.5Pa이다.
내부 콜렉터(비행거리 0mm)와 제 1 콜렉터(비행거리 8mm)가 사용되는 경우, 비행거리의 차이는 8mm이며, 상기와 동일한 방식으로, 5배에서 0.25배까지, 즉 40mm에서 2mm까지의 평균 자유 경로를 제공하는 진공도가 적용가능한 범위이다. 압력 표시로는 0.15Pa 내지 3Pa이다.
12) 진공계 교정
상기 항목 11)에서, 진공도의 범위로 나타난 범위는 평균 자유 경로가 직접적으로 측정되는 경우의 범위이나, 복합형 이온원에서 이온계 기능으로 결합된 사용은 또한 진공도의 범위를 넓힐 수 있다. 즉, 진공도의 매우 정확한 측정이 일반 이온계의 측정범위, 즉 1Pa에서 약 10-8Pa까지의 확장된 범위에서 가능하게 된다. 상기 항목 8)에 나타난 것과 같이, 복합형 이온원은, 복합형 이온원이 절반의 감도(변환값)를 가진다는 점을 제외하고는, 종래의 진공계인 이온계(B-A 계측기)와 동일한 기능/성능을 가진다. 그러나, 본래 이온계(B-A 계측기)는 여러 차수 이상의 광범위에서 선형성을 유지하는 우수한 성능을 가지나, 반면에, 감도(변환값), 즉 신호 양의 절대값이 변하기 쉬운 결함을 가진다. 도 4에서 "감쇠 전 이온 전류(이온원)"를 나타내는 그래프(41)의 오른쪽 45도 라인은 이온계의 진공도 표시에 해당하며, "선형성이 우수하다"는 것은 라인이 직선임을 의미하고, "감도(변환값)가 변하기 쉽다"는 것은 전체 라인의 수직적 위치가 바뀌기 쉽다는 것을 의미한다(도 4는 이중로그 그래프를 나타내기 때문에, 수직적 위치가 바뀌지만, 일반 그래프에서는 "선형성의 변화"가 기울기의 변화를 의미한다).
그러나, 본 발명에 따른 방법에서는 측정 범위 그 자체가 좁더라도, 얻어진 진공도가 매우 정확하므로, 동시에 측정된 이온계의 값과 비교하면서 이온계의 정확한 감도(변환값)가 되는 변환값을 명확히 하는 것이 가능하다. 즉, 전체 라인의 수직적 위치는 정확히 재설정될 수 있다. 또 다른 진공계(계측기)의 감도(변환값)를 교정하는 공정은 "진공계 교정"이라 해야 한다.
한편, 통상의 진공도 교정은 그 값이 정확히 알려진 진공도가 실현되는 상태하에서 수행된다. 예컨대, 먼저 진공도가 또 다른 신뢰할 만한 수단에 의해 정확히 α(Pa)가 되도록 설정된 후, 교정되는 진공계의 신호(이온계의 이온 전류)가 β(μA)를 제공하도록 측정되며, 진공계의 감도(변환값)는 "α/β(Pa/μA)"가 되도록 결정된다. 그 후에, 감도(변환값)가 변하지 않는다는 전제하에, 진공계로 측정된 X μA는 X·α/β(Pa)가 되도록 설정되어야 한다. 그러나, 초기의 α(Pa)를 보장할 수 있는 "신뢰할 만한 또 다른 수단"을 준비하는 것이 매우 어렵고, 상기 수단 그 자체가 또 다른 더 신뢰할 만한 수단으로 교정되는 것이 요구된다.
이에 반하여, 본 발명에 따른 진공계 교정에서는, 진공도를 알고 있을 필요가 없으며, 감쇠가 발생하는 범위에 포함되어 있는 경우에만 임의의 진공도가 허용가능하다. 그러나, 가스의 종류는 알려져야 한다. 즉, 진공도가 항목 11)에서 진공도의 범위로 나타낸 범위 내에 있는 경우, 평균 자유 경로는 정확히 계산될 수 있으므로, 그 값이 교정을 위해 사용될 수 있다. 예컨대, 진공도가 알려지지 않으나 N2의 주입이 60mm의 평균 자유 경로를 가져온다고 가정하면, 압력은 1Pa이 되도록 결정될 수 있다. 따라서, 교정되는 또 다른 진공계의 디스플레이가 1(Pa)를 표시하도록 조정 수단을 조정하는 것이 충분하다. 이런 경우, 비행거리의 정확성이 요구되나, 쉽게 실현될 수 있다. 추후에, 교정은 통상의 교정과 동일한 방식으로 수행된다.
상기 기술된 대로, 본 발명에 의한 교정은 특별한 장치를 필요로 하지 않으며, 또한 단시간 내에 수행될 수 있다. 그 결과, 실제 측정에서 자동적으로 수행되도록 진공계 교정을 설정하는 것도 가능하다. 즉, 스퍼터링과 같은 대부분의 공정에서, 기결정된 가스에 의해 감쇠가 발생하는 진공도가 이용되며, 교정은 그 시점에 수행된다.
13) 전자의 이용
감쇠되는 하전 입자로서, 이온뿐만 아니라 전자도 이용될 수 있다. 전자는 이온의 평균 자유 경로의 약 5.6배의 평균 자유 경로를 제공하는 작은 직경을 가지기 때문에, 비행거리가 동일한 경우, 전자는 이온의 경우에 5배 우수한 진공도의 측정에 적용될 수 있다. 전자를 발생시키는 가장 일반적인 방법은 열적 필라멘트 시스템이나, 다른 전자원으로서 상기 방법이 전자를 발생시킬 수 있는 경우에만, 방열형 산화물(indirectly heated oxide) 및 전계 방출형과 같은 임의의 것이 사용될 수 있다. 제 6 내지 제 10 실시예에서(도 11 및 13 내지 16), 전자가 이용된다.
14) 스트레이(stray) 이온 및 스트레이 전자에 대한 대책
분위기 가스(중성 분자)와 충돌한 이온 또는 전자는 소멸하지 않으나, 단지 운동 에너지를 잃고 남겨져 비행 공간에서 스트레이 이온 또는 스트레이 전자로서 부유한다.
그 결과, 스트레이 이온 또는 스트레이 전자와 같은 스트레이 하전 입자가 신속히 제거되지 않는 경우, 이들은 콜렉터에 도달하여 하전 입자의 양의 측정에서 에러를 야기할 수 있다. 이에 대한 대책 중 하나가 기계적 조치이며, 측정과 관련 없는 하전 입자를 비행 영역에 들어가지 않도록 하며, 콜렉터 앞에 에너지를 잃은 하전 입자를 저지하거나 스트레이 하전 입자를 흡수하도록 비행 영역 근처로 대지 전위(또는 약간의 마이너스 전위) 판을 배치하는 것과 같이 측정이 수행된다. 기계적 방식은 제 2 및 제 4 내지 제 8 실시예에서 채택된다(도 5, 9, 10, 11 및 13).
또 다른 대책은 전기적 조치이며, 통상 직류(DC) 대신에 락-인(변조 동기형) 증폭기를 사용하는 이온 전류(전자 전류)의 측정을 수행한다. 이온(전자)의 발생은 변조(단속)에 종속되며, 단지 그것과 동기화된 교류 성분만이 락-인(변조 동기형) 증폭기로 검출되며, 단지 분위기 가스와 충돌하지 않은 이온만이 검출될 수 있다(상세한 내용은 제 3 실시예에서 설명됨). 락-인(변조 동기형) 증폭기 시스템은 흡수판이 배치될 수 없고, 충돌된 이온(전자)와 더불어 임의의 방해 전류가 침입하는 경우에 효율적이다. 전자적 방식은 제 3, 제 9 및 제 10 실시예에서 채택된다(도 7, 8, 15 및 16).
15) 정확도 열화 요인
정확도를 저하시키는 요인은 "비행거리를 제외한 진공도 의존성"의 존재에 있으며, 그 가능성 및 대책이 다음과 같이 고려된다.
[1] 이온 인출 효율의 변동이 가능하고, 식(5)의 사용 등이 대책이다.
[2] 이온 개각(opening angle)의 변동이 가능하고, 구경(aperture)을 설치하거나 이온빔보다 작은 콜렉터를 사용하여 검출각을 제한하는 것이 대책이다. 이는 제 2, 제 3 및 제 4 내지 제 9 실시예에서 채택된다(도 6, 7, 9 내지 11 및 13 내지 15).
[3] 분자의 충돌과 더불어, 이온의 쿨롱력 발산(Coulomb force divergence)(공간 전하 효과) 및 중성 분자의 인출과 같은 요인이 가능하며, 이에 대하여 이온 전류를 줄이거나 이온 에너지를 높히는 것(이온화를 발생시키지 않는 정도로)이 대책이다.
16) 제어부에 관하여
추후 기술되는 개별 실시예에서 설명되는, 평균 자유 경로를 측정하는 장치(1007)는 도 16에 도시된 제어부(1000)를 통합할 수 있다. 그리고, 제어부는 인터페이스를 통해 연결될 수 있다.
도 16은 본 발명의 일실시예에 따른 제어 시스템의 개략적 구성을 나타내는 블록선도이다.
도 16에서, 참조번호(1000)는 장치(1007) 전체를 제어하기 위한 제어 수단으로서 제어부를 표시한다. 제어부(1000)는 다양한 연산, 제어, 판별과 같은 처리 동작을 실행하기 위한 CPU(1001), 및 CPU(1001)에 의해 실행되는 다양한 제어 프로그램 등을 저장하기 위한 ROM(1002)을 가진다. 그리고, 제어부(1000)는 CPU(1001)의 처리 동작 중의 데이터 및 입력 데이터를 일시적으로 저장하기 위한 RAM(1003), 및 플래시 메모리와 SRAM 등과 같은 비휘발성 메모리(1004)를 가진다.
게다가, 키보드 또는 예정된 명령이나 데이터를 입력하는 다양한 스위치를 포함하는 입력 조작부(1005), 및 장치(1007)의 입력/설정 상태를 포함하는 다양한 디스플레이를 수행하는 표시부(1006)(예컨대, 디스플레이)가 제어부(1000)와 연결된다.
(제 1 실시예)
도 5는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 평균 자유 경로를 측정하는 장치(1007)를 나타내는 도면이며, 복합형 이온원 및 투과형 콜렉터가 사용된다. 도 5에 도시된 장치(1007)의 전체는 측정되는 분위기 가스 내에 배치된다. 그러나, 도면에 도시된 전류계는 도식적이며, 실제로는 분위기 가스 외부에 배치된다. 게다가, 도면에 도시되지 않지만, 개별 전극이 진공계와 같이 잘 알려진 방식으로 부착/고정되며, 접속 배선은 공기 측에 도전된다. 예컨대, 개별 전극은 절연석(세라믹 등)에 나사로 고정되며, 전기적 용접 배선(니켈 와이어 등)은 유리로 밀봉된 도입 단자를 통해 공기 측에 제어 장치까지 뻗어있다.
도 5에서, 진공계로서 평균 자유 경로를 측정하는 장치(1007)는 복합형 이온원(100), 투과형 콜렉터(202) 및 콜렉터(203)를 포함한다. 콜렉터(202 및 203)는 이온원(100)으로부터 출력된 이온(110)의 이온 비행축에 배치된다. 그리고, 콜렉터(202)는 이온원(100)의 이온 방출면으로부터 콜렉터(202)의 이온 검출면까지의 거리가 La가 되도록 제공된다. 따라서, 콜렉터(202)는 이온원(100)으로부터 비행거리(La)의 이온을 검출한다. 그리고, 콜렉터(203)는 이온원(100)의 이온 방출면으로부터 콜렉터(203)의 이온 검출면까지의 거리가 Lb가 되도록 제공된다. 따라서, 콜렉터(203)는 이온원(100)으로부터 비행거리(Lb)의 이온을 검출한다.
복합형 이온원(100)은 실린더(약 10mm의 Φ, 약 30mm의 길이)이고 그리드형과 같이 전자를 투과시키는 형태(3mm의 그리드 간격, 약 95%의 투과율)의 그리드(102), 약 0.2mm의 Φ를 갖는 텅스텐 와이어로 구성되어 1800도 이상으로 가열될 때 열전자를 방출하는 필라멘트(101), 및 약 0.1mm의 Φ를 갖는 텅스텐 와이어로 구성된 내부 콜렉터(201)를 가진다.
그리드(102)에 약 +100V의 전압이 인가되며, 필라멘트(101)에 약 +30V의 전압이 인가되고, 내부 콜렉터(201)는 대지 전위(접지/그라운드 전압. 상세하게는, 전체 진공계의 베이스 전위인 0V)가 되도록 설정된다. 필라멘트(101)로부터 방출된 전자는 그리드(102)를 향해 나아가고, 전자의 대부분은 그리드(102)의 내부로 칩입하며, 거기서 분위기 가스와 충돌하여 양전하의 이온(110)을 발생시킨다. 이온(110)이 실질적으로 그리드(102)의 전위(+100V)에서 발생되기 때문에, 이온의 일부는 대지 전위의 내부 콜렉터(201)로 유입한다. 상기 기술된 대로, 내부 콜렉터(201)는 감쇠 전 이온 수인 이온 수(Ic)를 검출한다. 그러나, 내부 콜렉터(201)의 길이가 그리드(102)의 축방향 거리의 약 절반이며, 그리드(102)의 타측(콜렉터(202 및 203)의 반대측)은 개방되어져 있기 때문에, 내부 콜렉터(201)로 유입되지 않은 다른 이온(110)은 이온원(100) 바깥으로 방출되며, 대지 전위의 콜렉터(202)를 향해 나아간다. 콜렉터(202)까지의 비행에서 분위기 가스(중성 분자)와 충돌한 이온(110)은 운동 에너지를 잃고 콜렉터(202)에 도달하지 못하나, 일부의 이온(110)은 충돌하지 않고 콜렉터(202)에 도달하여 이온 전류로서 측정된다. 즉, 콜렉터(202)는 비행거리(L1)의 비행 후 감쇠된 이온 수(Ia)를 검출한다.
콜렉터(202)는 메쉬 형태로 형성된 투과형이기 때문에, 콜렉터(202)의 위치에 도달한 이온(110)의 추가적 일부는 콜렉터(203)를 향해 직접적으로 나아간다. 또한, 콜렉터(202)와 콜렉터(203) 사이에서 분위기 가스와 충돌한 이온(110)은 콜렉터(203)에 도달하지 못하나, 일부의 이온(110)은 충돌하지 않고 콜렉터(203)로 도달하여 이온 전류로서 측정된다.
즉, 콜렉터(203)는 비행거리(L2)의 비행 후 감쇠된 이온 수(Ib)를 검출한다.
콜렉터(202)는 약 0.3mm의 메쉬 간격을 가지며, 약 50%의 투과율을 가진다. SUS 등으로 구성된 메쉬 형태가 적합하다. 콜렉터(203)는 가령 SUS로 구성된 간단한 금속판이다.
비행거리는 적용되는 진공도와 대응하여 선택되어야 하며, 실시예에서 약 1Pa의 진공도의 측정이 가능하도록, 이온원(100)과 콜렉터(202) 사이의 거리(La)는 8mm로 설정되며, 이온원(100)과 콜렉터(203) 사이의 거리(Lb)는 60mm로 설정된다. 거리의 에러는 측정 결과의 에러와 직결되기 때문에, 거리는 정확하고 장기간 동안 변하지 않는 것이 중요하다. 한편, 실시예에서 거리(La) 및 거리(Lb)의 값은 비휘발성 메모리(1004)에 저장된다. 따라서, 비휘발성 메모리(1004)는 거리(La)가 8mm이고 거리(Lb)가 60mm임을 유지한다. 게다가, 내부 콜렉터(201)가 이온원(100) 내부에 제공되기 때문에, 이온원(100)과 내부 콜렉터(201) 사이의 거리(Lc)는 0이다.
따라서, 비휘발성 메모리(1004)는 또한 거리(Lc)(=0mm)의 값을 저장한다.
이온 전류 및 이온빔 직경은 측정 결과와 직접적으로 관련이 없으며 임의적이나, 일반적으로 이온 전류는 약 1μA(10-6A)로 설정되며, 이온 에너지는 약 100eV로 설정되고, 이온빔 직경은 약 수 mm로 설정된다. 전류 측정은 통상 직류(DC) 측정이며, 약 1nA(10-9A)에서 1μA까지가 0.1초를 약간 넘는 응답률로 검출될 수 있는 것이 충분하다. 그러나, 내부 콜렉터(201)는 B-A 계측기의 진공도보다 우수한 진공도까지 측정하는 것이 바람직하기 때문에, 응답이 늦더라도 바람직하게는 1pA(10-12A)까지 측정할 수 있다.
높은 정확도의 측정이 필요한 경우, 계산 전에 "무감쇠 교정"이 수행된다. 이것은 투과형 콜렉터(202)에서 이온(110)의 검출 비율, 두 측정 회로의 증폭률 및 내부 콜렉터(201)의 이온 검출 비율을 교정하는 것이며, 분위기 가스의 진공도의 감쇠가 많아야 1/10이 되는 상태로 설정되는 것이 필요하다. 실시예에서, 비행거리(Lb)가 60mm이기 때문에, 0.005Pa 이하가 요구된다(도 4에 따르면, 수직축은 이온 전류를 나타내고 수평축은 진공도를 나타내며, 0.005Pa에서 L=60mm의 이온 감쇠 후 그래프(43)가 실질적으로 0mm의 감쇠 전 그래프(41)와 만나며, 0.13Pa에서 평균 자유 경로가 되는 60mm의 비행거리에서는 거의 감쇠가 없다고 인식된다). 진공도를 제외한 조건은 실제 측정에서 동일하게 설정되며, 개별 콜렉터에 의한 이온 전류는 감쇠 없는 초기값이 되도록 설정된다. 그리고, 실제 측정된 이온 전류 각각은 이온 전류를 초기값으로 나누어 얻어진 값으로 정규화되며, 계산에 사용된다. 즉, 무감쇠 교정을 위한 측정에서, 내부 콜렉터(201)는 이온 수(Ic')를 검출하고, 콜렉터(202)는 이온 수(Ia')를 검출하며, 콜렉터(203)는 이온 수(Ib')를 검출한다. 이들 검출된 이온 수(Ia'), 이온 수(Ib') 및 이온 수(Ic') 각각은 비휘발성 메모리(1004)에 기억된다. 따라서, 무감쇠 교정을 수행하는 경우, 제어부(1000)는 비휘발성 메모리(1004)에 저장된 초기값으로서 이온 수(Ia'), 이온 수(Ib') 및 이온 수(Ic')를 적합하게 읽어내며, 측정된 값은 읽어낸 초기값으로 측정된 값을 나누어 얻어진 값으로 정규화되며, 이로써 각각 무감쇠 교정을 수행한다.
평균 자유 경로의 측정의 기본 절차는 다음과 같다.
먼저, 필라멘트(101)가 가열되어 적절한 값의 전자가 그리드에 도달하도록 설정된다(그 값은 반드시 정확히 알려지지는 않으며, 엄밀하게 반드시 상수로 설정되는 것은 아니다). 즉, 제어부(1000)는 이온원(100)이 이온(110)을 발생시키도록 장치(1007)를 제어한다.
다음으로, 내부 콜렉터(201), 콜렉터(202) 및 콜렉터(203)로 주입하는 이온의 양의 각각(이온 수(Ic), 이온 수(Ia) 및 이온 수(Ib))이 측정된다. 즉, 제어부(1000)는 내부 콜렉터(201), 콜렉터(202) 및 콜렉터(203)로 이온을 검출하도록 장치(1007)를 제어하며, 장치(1007)로부터 검출된 이온 수(Ic), 이온 수(Ia) 및 이온 수(Ib)를 얻어서 RAM(1003)에 이들을 저장한다.
마지막으로, 얻어진 이온 수(Ic), 이온 수(Ia) 및 이온 수(Ib)는 식(3) 내지 (5)를 사용하는 동안 알맞게 사용되어, 평균 자유 경로를 산출한다. 이들 가운데, 이온량의 비율이 1.2배에서 100배까지의 범위내에 있는 경우, 확정값으로 설정된다. 즉, 제어부(1000)는 평균 자유 경로의 산출에 사용되는 식에 대응하는 정보를 읽어내어 계산을 수행한다.
예컨대, 식(3)이 계산을 위해 사용되는 경우, 내부 콜렉터(201)는 제 1 콜렉터로서 역할을 하고, 콜렉터(202)는 제 2 콜렉터로서 역할을 한다. 그리고, 이온 수(Ic)는 이온 수(I0)가 되고, 이온 수(Ia)는 이온 수(IL1)가 되며, 거리(La)는 비행거리(L1)가 된다. 따라서, 제어부(1000)는 비휘발성 메모리(1004)로부터 거리(La)를 읽어내며, RAM(1003)으로부터 이온 수(Ic) 및 이온 수(Ia)를 읽어내고, 읽어낸 값으로부터 식(3)에 따라 평균 자유 경로를 산출한다.
또한, 계산을 수행하는데 식(4)가 사용되는 경우, 콜렉터(201)는 제 1 콜렉터로서 역할을 하고, 콜렉터(203)는 제 2 콜렉터로서 역할을 한다. 이온 수(Ic)는 이온 수(I0)가 되고, 이온 수(Ib)는 이온 수(IL2)가 되며, 거리(Lb)는 비행거리(L2)가 된다. 따라서, 제어부(1000)는 비휘발성 메모리(1004)로부터 거리(Lb)를 읽어내며, RAM(1003)으로부터 이온 수(Ic) 및 이온 수(Ib)를 읽어내고, 읽어낸 값으로부터 식(4)에 따라 평균 자유 경로를 산출한다.
게다가, 계산을 수행하는데 식(5)가 사용되는 경우, 콜렉터(202)는 제 1 콜렉터로서 역할을 하고, 콜렉터(203)는 제 2 콜렉터로서 역할을 하는 패턴(A), 및 내부 콜렉터(201)는 제 1 콜렉터로서 역할을 하고, 콜렉터(202)는 제 2 콜렉터로서 역할을 하는 패턴(B)가 있다.
패턴(A)의 경우:
이온 수(Ia)는 이온 수(IL1)로서 작용하며, 이온 수(Ib)는 이온 수(IL2)가 되고, 거리(La)는 비행거리(L1)가 되며, 거리(Lb)는 비행거리(L2)가 된다. 따라서, 제어부(1000)는 비휘발성 메모리(1004)로부터 거리(La) 및 거리(Lb)를 읽어내며, RAM(1003)으로부터 이온 수(Ia) 및 이온 수(Ib)를 읽어내고, 읽어낸 값으로부터 식(5)에 따라 평균 자유 경로를 산출한다.
패턴(B)의 경우:
이온 수(Ic)는 이온 수(IL1)로서 작용하며, 이온 수(Ia)는 이온 수(IL2)가 되고, 거리(Lc)는 비행거리(L1)가 되며, 거리(La)는 비행거리(L2)가 된다. 따라서, 제어부(1000)는 비휘발성 메모리(1004)로부터 거리(Lc) 및 거리(La)를 읽어내며, RAM(1003)으로부터 이온 수(Ic) 및 이온 수(Ia)를 읽어내고, 읽어낸 값으로부터 식(5)에 따라 평균 자유 경로를 산출한다.
상기 기술된 대로, 사용되는 식을 대응하면서, 요구되는 측정값이 결정된다. 따라서, 제어부(1000)는 계산에 사용되는 식(즉, 계산에 사용되도록 설정된 식)에 따라 개별 거리 및 이온 수를 적절히 선택하고 읽어내며, 계산을 수행한다. 한편, 사용되는 식의 설정은 입력 조작부(1005)를 통해 사용자에 의해 수행될 수 있다.
또한, 제어부(1000)는 평균 자유 경로를 얻은 경우 무감쇠 교정을 수행할 수 있다.
무감쇠 교정을 수행하는 경우, 제어부(1000)는 읽어낸 값을 사용하여 무감쇠 교정을 수행하는데 사용되는 식에 따라 비휘발성 메모리(1004)에 저장된 초기값으로서 이온 수(Ia'), 이온 수(Ib') 및 이온 수(Ic')를 적합하게 읽어낼 수 있다. 예컨대, 식(5)가 사용되는 경우, 제어부(1000)는 비휘발성 메모리(1004)로부터 이온 수(Ia') 및 이온 수(Ib')를 읽어내고, 이를 사용하여 이온 수(Ia)/이온 수(Ia') 및 이온 수(Ib)/이온 수(Ib')의 정규화를 수행하여, 무감쇠 교정을 수행한다.
한편, 제어부(1000)는 계산에 의해 얻어진 평균 자유 경로를 표시부(1006)에 디스플레이되도록 할 수 있다. 상기 기술된 대로 디스플레이에 의해, 사용자는 그 시점의 진공도를 알 수 있다.
또한, 제어부(1000)는 얻어진 상기 언급된 평균 자유 경로를 기초로 식(7)로부터 평균 자유 경로에 대응하는 압력을 계산할 수 있다. 이 경우, 장치(1007)의 측정 영역의 온도를 측정하기 위한 온도 측정 수단으로서 온도계가 장치(1007)에 통합되어 장치(1007)의 측정 시스템의 온도를 측정한다. 가스 성분이 알려진 경우, 분자의 직경은 그것의 문헌 데이터로부터 얻어지며, 상기 성분이 알려지지 않은 경우, 성분은 질량 분석계에 의해 결정되며, 분자의 직경은 그것의 문헌 데이터로부터 얻어진다. 즉, 제어부(1000)는 얻어진 평균 자유 경로를 직접 압력으로 변환할 수 있으며, 변환된 압력이 표시부(1006) 상에 디스플레이되도록 할 수 있다. 한편, 성분이 알려지지 않고 분석계를 이용할 수 없는 경우, 계산은 N2의 직경을 사용하여 수행되며, N2의 관점에서 압력값으로 설정된다(N2의 관점에서 압력값은 이온계에서 널리 이용되는 방법이다).
한편, 실시예에서, 제어부(1000)는 평균 자유 경로를 산출하나, 제어부(1000)와 별도로 연산 장치(예컨대, 컴퓨터 및 과학용 전자계산기) 또한 사용될 수 있다. 즉, 본 발명에서 비율을 사용하여 평균 자유 경로를 얻는 것이 중요하며, 이를 위해, 이온원으로부터 서로 다른 거리에 있는 적어도 2개의 콜렉터를 사용하고 이들 콜렉터에 의해 검출된 이온 수를 사용하여 식(3) 내지 (5) 중 임의의 것으로부터 평균 자유 경로를 얻는 것이 본질이다. 따라서, 평균 자유 경로를 얻기 위한 계산이 수행되는 곳은 문제가 되지 않는다.
실시에에서, 이온원(100)과 개별 콜렉터 사이의 거리인 거리(La, Lb 및 Lc)는 알려진다. 그리고, 개별 콜렉터에 의해 검출된 이온 수(Ia, Ib 및 Ic)는 RAM(1003)과 같은 저장 수단에 유지된다. 따라서, 제어부(1000)에 의해 평균 자유 경로를 얻은 경우, 계산은 상기 기술된 대로 수행될 수 있다. 즉, 제어부(1000)는 임의의 식(3) 내지 (5)에 따라 계산을 수행하도록 저장 수단으로부터 평균 자유 경로를 산출하는데 필요한 거리(La, Lb 및 Lc) 및 이온 수(Ia, Ib 및 Ic)를 얻는다.
게다가, 계산이 제어부(1000)로부터 이격된 컴퓨터로 수행되고, 네트워크를 통해 컴퓨터가 제어부(1000)와 연결된 경우, 제어부(1000)는 개별 콜렉터에 의해 검출되고 RAM(1003)에 저장된 이온 수(Ia, Ib 및 Ic)를 나타내는 정보 및 비휘발성 메모리(1004)에 저장된 거리(La, Lb 및 Lc)를 나타내는 정보를 전송하는 것으로 충분하다. 컴퓨터는 네트워크 인터페이스 등에 의해 정보를 얻는다. 그 후에, 컴퓨터는 제어부(1000)와 동일한 방식으로 계산을 수행하면서 평균 자유 경로를 획득하도록 얻어진 정보의 각 부분을 사용할 수 있다.
컴퓨터가 네트워크를 통해 제어부(1000)와 연결되지 않은 경우, 제어부(1000)는 개별 콜렉터에 의해 검출되고 RAM(1003)에 저장된 이온 수(Ia, Ib 및 Ic) 및 비휘발성 메모리(1004)에 저장된 거리(La, Lb 및 Lc)를 표시부(1006) 상에 디스플레이하는 것으로 충분하다. 이렇게 디스플레이함으로써, 사용자는 표시된 정보의 각 부분을 키보드와 같은 입력 수단을 사용하는 제어부(1000)로부터 이격된 컴퓨터에 입력할 수 있으며, 컴퓨터가 식(3) 내지 (5)의 임의의 계산을 수행하도록 할 수 있다. 이때, 이격된 컴퓨터는 입력 수단에 의한 사용자 입력으로부터 평균 자유 경로를 산출하는데 필요한 거리(La, Lb 및 Lc) 및 이온 수(Ia, Ib 및 Ic)를 얻으며, 임의의 식(3) 내지 (5)의 계산을 수행한다.
또한, 디스플레이에 의해, 사용자는 디스플레이된 정보를 기초로 과학용 전자계산기로 임의의 식(3) 내지 (5)의 계산을 수행하여 평균 자유 경로를 얻을 수 있다. 이 경우, 과학용 전자계산기는 과학용 전자계산기에 장착된 숫자 키패드에 의한 사용자 입력으로부터 평균 자유 경로를 산출하는데 필요한 거리(La, Lb 및 Lc) 및 이온 수(Ia, Ib 및 Ic)를 얻으며, 임의의 식(3) 내지 (5)의 계산을 수행한다.
상기 기술된 대로, 실시예에서, 도 5에 도시된 실시예의 특징적 장치 구성으로 개별 콜렉터에 의해 검출된 이온 수(Ia, Ib 및 Ic)가 얻어지며, 이들 이온 수는 저장 수단에 저장된다. 그리고, 상기 언급된 예정된 공정에 종속되는 저장된 이온 수를 알맞게 읽어내어, 식(3) 내지 (5)의 계산이 정확하고 간단히 평균 자유 경로를 획득하도록 수행될 수 있다.
게다가, 실시예는 검출된 이온 수(이온 전류)가 도 5에서 개별 콜렉터에 연결된 전류계에 디스플레이되도록 구성될 수 있다. 이 경우, 입력 조작부(1005)를 통해, 사용자가 전류계에 표시된 값 및 그 값에 대응하는 비행거리를 제어부(1000)로 입력하며, 또한 평균 자유 경로의 계산의 지시를 입력한다. 사용자 입력을 기초로, 제어부(1000)는 이온의 비행거리 및 이온 수를 얻으며, 계산의 지시에 따라 임의의 식(3) 내지 (5)에 따른 평균 자유 경로의 계산을 수행한다. 대안으로, 사용자는 전류계에 표시된 값을 과학용 전자계산기에 입력할 수 있다. 이 경우, 과학용 전자계산기는 사용자 입력에 따라 감쇠 후 이온 및 이온 수의 비행거리를 얻으며, 과학용 전자계산기는 임의의 식(3) 내지 (5)를 수행할 수 있다.
실시예에서, 복합용 이온원(100)이 사용되며, 이온계로서 넓은 측정 영역의 진공도를 측정하는 기능을 가진다. 따라서, "진공계 교정"이 수행되는 경우, 평균 자유 경로가 측정되고, 동시에 진공계의 감도(변환값)를 교정하도록 진공도가 이온계 기능을 기초로 측정되며, 또한 매우 정확한 진공도 측정은 이온계의 측정 범위, 즉 약 1Pa에서 10-8Pa까지의 광범위에서 수행될 수 있다. "진공계 교정"에서, 감쇠가 알려진 가스 종류에 의해 발생하는 레벨에서 진공도를 유지하면서, 상기 방법에 의한 평균 자유 경로의 측정 및 이온계 기능에 의한 진공도(압력)의 측정이 수행되며, 제어부(1000)는 식(7)에 의해 상기 2개를 비교하여 이온계 기능의 감도(변환값)를 교정한다. 교정이 수행된 경우, 진공도는 평균 자유 경로가 측정될 수 있는 경우에만 임의의(미지의) 값일 수 있다.
상기 기술된 대로, 실시예에서는 뛰어난 간소화가 복합형 이온원 및 투과형 콜렉터의 사용에 의해 실현되며, 더 높은 정확도 및 더 넓은 범위의 측정이 "무감쇠 교정" 및 "진공계 교정"에 의해 가능하게 된다.
(제 2 실시예)
도 6은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 평균 자유 경로를 측정하는 장치를 나타내는 도면이며, 복합형 이온원 및 투과형 콜렉터가 사용되고, 스트레이 이온에 대한 대책 및 이온 개각에 기인한 정확도 저하에 대한 대책이 고안된다. 이온원(100), 콜렉터(202) 및 콜렉터(203)는 제 1 실시예의 것과 정확히 동일하며, 측정 절차, 계산 방법, 진공도의 범위 등도 또한 동일하다. 그러나, 상기 실시예에서는 빔각 제한판(beam angle-restricting plate)(400), 스트레이 이온 방지판(401a 및 401b)(2개의 판) 및 스트레이 이온 흡수판(402)과 같은 3가지 종류의 전극이 스트레이 이온에 대한 기계적 대책으로 새로이 설치된다.
빔각 제한판(400)은 중심부에 홀(약 Φ 2mm)을 가지며, 이온원(100) 근처(가장자리로부터 약 2mm)에 설치된다. 스트레이 이온 방지판(401a 및 401b)은 중심부에 메쉬(메쉬 간격은 1mm, 투과율은 약 90%)를 갖는 홀을 가진다. 스트레이 이온 방지판(401a)은 콜렉터(202)로부터 약 2mm 이격되어 배열되며, 홀의 Φ는 약 3mm이다. 반면에, 스트레이 이온 방지판(401b)은 콜렉터(203)로부터 약 2mm 이격되어 배열되며, 홀의 Φ는 약 9mm이다. 스트레이 이온 흡수판(402)은 실린더형(Φ는 약 10mm)이고, 이온(110)의 빔과 동축으로 설치된다. 빔각 제한판(400) 및 스트레이 이온 흡수판(402)은 대지 전위(0V)로 설정되며, 스트레이 이온 방지판(401a 및 401b) 모두는 그리드(102)의 전압보다 5V 낮은 +95V의 전위로 설정된다.
빔각 제한판(400) 및 스트레이 이온 방지판(401a 및 401b)의 3개 홀은 이온원(100)으로부터 빔각 제한판(400)의 홀에 대한 개각(opening angle) 및 이온원(100)으로부터 스트레이 이온 방지판(401a 및 401b)의 2개의 홀에 대한 개각인 3개가 "동일한 개각"이 되도록 설정된다. 특히, 스트레이 이온 방지판(401a 및 401b)의 홀들에 대한 개각이 중요하며, 그 결과 2개의 콜렉터(202 및 203)에 도달하는 이온(110)의 이온원(100)으로부터 홀에 대한 개각이 동일하게 된다. 따라서, 빔각 제한판(400)에 의해 제한된 개각을 갖는 이온(110)의 빔은, 분위기 가스와 충돌하지 않으면, 스트레이 이온 방지판(401a 및 401b)의 홀을 통과하여 콜렉터(202 및 203)에 도달한다.
그러나, 분위기 가스와 충돌한 이온(110)의 일부는 진행방향에서 만곡하게 되며, 빔각 제한판(400)에 의해 제한된 개각에서 벗어나며, 그 진행은 차단되고 스트레이 이온 방지판(401a 및 401b)의 판 형태의 부분(홀이 없는 부분)에 흡수된다. 게다가, 분위기 가스와 충돌한 이온(110)의 또 다른 부분은 개각에서 벗어나지 않으나, 운동 에너지가 낮아지기 때문에, 고압(그리드(102)의 전압보다 약간 낮은 전압)이 인가되는 스트레이 이온 방지판(401a 및 401b)의 메쉬 부분을 통과할 수 없으며, 결국 스트레이 이온 흡수판(402)에 흡수된다. 따라서, 결정된 개각 이상의 각들으로 퍼진 이온(110) 및 초기 운동 에너지를 잃은 이온(110)은 차단되며, 분위기 가스와 충돌하지 않은 이온(110)만이 콜렉터에 도달한다. 상기 기술한 대로, 실시예에서, 기계적 대책은 스트레이 이온에 대하여 수행된다.
이온의 개각에 따른 정확도의 저하는 진공도의 변화에 의해 야기되어 발생하여 인출되는 이온(110)의 개각을 변화시키고 이온 전류값에 영향을 미치기 때문에, 2개의 콜렉터(202 및 203)가 항상 동일한 이온 번들(bundle)을 포획하도록(진공도가 변하는 경우에도) 설정하는 것으로 충분하다. 이를 실현하기 위해, 스트레이 이온에 대한 상기 언급된 대책과 동일한 방식으로, 3개 홀(특히, 2개 스트레이 이온 방지판(401a 및 401b)의 홀들)이 "동일한 개각"을 가지도록 설정된다.
한편, 빔각 제한판(400)이 반드시 필수적인 것은 아니다. 그러나, 빔각 제한판(400)을 제공함에 의해, 쓸모없는 이온이 이온의 비행 영역에 입사하는 것을 허용하지 않도록 스트레이 이온에 대한 초기 단계의 대책을 수행하고, 이온 인출각을 확실히 더 고정하여 정확도 저하의 요인에 대한 대책을 철저히 수행하는 것이 가능하다. 또한, 대지 전위의 전극이 이온원(100) 근처에 설치되기 때문에, 즉 인출 전극으로서, 이온원(100)으로부터 이온(110)을 안정되게 인출하는 효과가 또한 기대된다.
상기 언급된 대로, 실시예에서, 스트레이 이온에 대한 엄밀한 대책의 실행은 측정의 정확도의 중요한 개선을 가능하게 한다.
(제 3 실시예)
도 7은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 평균 자유 경로를 측정하는 장치를 나타내는 도면이며, 복합형 이온원 및 투과형 콜렉터가 사용되고, 이온의 개각에 의존하는 정확도 저하의 요인에 대한 대책 및 스트레이 이온에 대한 전기적 대책이 수행된다. 이온원(100), 콜렉터(202) 및 콜렉터(203)는 실질적으로 제 1 실시예의 것과 동일하며, 측정 절차, 계산 방법, 진공도의 범위 등도 또한 동일하나, 콜렉터(202) 및 콜렉터(203)의 크기(검출 유효면)가 특유하다. 게다가, 스트레이 이온에 대한 전기적 대책으로서, 이온 블랭킹(blanking)이 새롭게 설치되며, 전류계로서 락-인(변조 동기형) 증폭기가 사용된다.
이온의 개각에 따른 정확도 저하에 대해, 콜렉터(202) 및 콜렉터(203) 모두의 검출 유효면이 작게 제작되어 이들이 이온(110)의 빔에 지속적으로 놓이도록 하며, 2개의 검출 유효면이 이온(110)의 동일한 번들을 지속적으로 측정하도록 설정된다. 상기 대책도 기본적으로 제 2 실시예의 "동일한 개각"과 동일하다. 그러나, 제 2 실시예에서는, 임의의 개각 이상을 갖는 이온(110)이 홀을 갖는 판(스트레이 이온 방지판(401a 및 401b))으로 차단되나, 이번 실시예에서는 콜렉터(202 및 203)의 크기(검출 유효면)가 임의의 개각과 만나도록 설정되기 때문에, 개각 이상을 갖는 이온(110)이 측정 없이 통과된다. 한편, 콜렉터(202) 및 콜렉터(203)이 3개의 얇은 와이어(Φ은 약 0.1mm)로 매여지기 때문에, 콜렉터 이상의 개각을 갖는 이온(110)의 영향은 무시될 수 있다.
스트레이 이온에 대한 전기적 대책으로서, 스트레이 이온이 콜렉터(202 및 203)에 유입되는 경우에도 이들은 검출되지 않도록 설정된다. 먼저, 이온 블랭킹(501)이 이온원(100) 근처에 설치되어 단속적으로 이온(110)을 방출하도록 설정된다. 하전 입자를 주기적으로 단속화하는 많은 블랭킹 방법이 공지되어 있으며, 이번 실시예는 메쉬에 의한 가장 간단한 블랭킹 전위 시스템을 채택한다. 그러나, 이번 실시예에, 말할 필요도 없이, 단속적 주기를 갖는 입사되는 하전 입자를 방출할 수 있는 경우에만, 임의의 수단이 사용될 수 있다.
이번 실시예에서, 이온 블랭킹(501)의 메쉬는 1mm의 메쉬 간격을 가지며, 투과율은 약 90%이고, 전원(504)이 사각 전압(505)을 인가하도록 전기적으로 메쉬에 연결된다. 즉, 0V 및 100V의 전위는 약 1MHz(106 사이클/초)로 메쉬에 인가된다. 메쉬가 100V에 있는 경우, 이온(110)은 통과할 수 없기 때문에, 이온(110)은 약 1MHz로 단속적으로 방출된다. 따라서, 분위기 가스와 충돌 없이 고속으로 비행하여 1μ초(10-6초) 이하 내로 콜렉터(202 및 203)에 도달하는 이온 전류는 동일한 주파수를 갖는 사각파이다.
그러나, 분위기 가스와 충돌하여 이온의 비행 영역에 남겨지고 부유한 후 10μ초(10-5초) 이상 경과 후 콜렉터(202 및 203)에 도달하는 이온 전류는 실질적으로 일정하다. 즉, 스트레이 이온은 일정한 전류는 제공하며, 신호가 되는 이온 전류는 그에 겹쳐지는 사각파가 된다. 그리고, 차단 전위를 분할하여 얻어진 전압(505)(동기 신호)이 락-인(변조 동기형) 증폭기(502)로 입력되며, 주파수를 동기화하는 교류 성분의 신호 강도가 측정된다. 즉, 교류로 형성되는 본래 신호만이 검출되고, 일정한 전류를 형성하는 스트레이 이온은 검출되지 않는다. 한편, 락-인 증폭기(502)의 비교 대상인 콜렉터가 스위치(503)에 의해 선택될 수 있다.
이런 상황은 도 8에서 설명된다.
도 8에서, 참조번호(506)는 분위기 가스와 충돌하지 않은 경우 콜렉터에 의해 검출된 이온 전류를 표시하며, 참조번호(507)는 분위기 가스와 충돌한 경우 콜렉터에 의해 검출된 이온 전류를 표시한다. 참조번호(508)는 신호인 이온(충돌 없이 콜렉터에 도달한 이온)을 표시하며, 참조번호(509)는 잡음인 스트레이 이온을 표시한다.
이 실시예에서, 콜렉터(202) 및 콜렉터(203)의 검출 유효면의 크기 감소에 의해, 정확도 저하의 요인에 대한 대책이 수행되며, 락-인(변조 동기형) 증폭기(502)의 사용에 의해, 스트레이 이온에 대한 대책이 수행되어, 이들의 상승 작용을 제공한다. 상승 작용에 의해, 제 2 실시예에서 필요한 3개 전극이 빔각 제한판, 스트레이 이온 방지판 및 스트레이 이온 흡수판에 대해 제공되지 않는 경우에도, 정확도의 개선 및 스트레이 이온에 대한 대책이 수행될 수 있다. 그러나, 대책의 각각은 단독으로도 유용함을 발휘하며, 또한 독립하여 사용될 수 있다.
상기 언급된 대로, 이번 실시예에서는, 간단한 구조를 가지고 정확도 저하 및 스트레이 이온에 대한 대책을 수행함으로써, 측정의 정확도에 있어서 뛰어난 개선이 가능하게 된다.
(제 4 실시예)
도 9는 본 발명의 제 4 실시예에 따른 평균 자유 경로를 측정하는 장치를 나타내는 도면이며, 장치로서, 이온원을 구비하지 않고, 플라즈마와 같이 측정되는 분위기로부터 날아 들어오는 이온을 이용한다. 전극 각각은 실질적으로 제 2 실시예(도 6)에서와 동일하고, 장치(1007)는 스트레이 이온 방지판(401a 및 401b), 스트레이 이온 흡수판(402) 및 쉴드 케이스(603)를 포함한다.
쉴드 케이스(603)는 빔각 제한판(400)과 동일한 기능을 가지며, 스트레이 이온이 전극 부분에 들어오지 않도록 전극 부분 전체를 둘러싼다. 쉴드 케이스(603)는 대지 전위(0V)를 가진다. 쉴드 케이스(603)는 SUS 등으로 구성된 금속판(두께는 약 1mm)이며, 플라즈마(601)를 대면하는 측면에 홀(Φ는 약 2mm)을 포함하며 홀을 제외하고 밀폐된 구조를 가진다. 스트레이 이온 방지판(401a 및 401b)의 전위는 +5V에서 +50V까지 가변적으로 설정된다. 각 전극의 다른 치수, 재료 및 전위 모두는 제 2 실시예의 것과 동일하다. 이온원을 제외하고 하기에 설명된 측정 절차는 제 2 실시예의 것과 동일하며, 계산 방법, 진공도의 범위 등은 정확히 동일하다.
이번 실시예에서, 장치(1007)는 플라즈마 차폐판(602) 및 플라즈마 차폐판(602) 내부에 플라즈마(601)를 발생시키는 수단(미도시)을 더 포함한다. 플라즈마(601)는 통상 사용되는 방법으로 발생시킬 수 있다. 플라즈마(감압 플라즈마)는 당연히 진공 용기에서 발생되나, 보통 진공 용기 및 진공 부품의 내부벽의 오염에 대한 대책으로써 플라즈마 차폐판(602)으로 커버된 영역에서 발생되며, 진공 펌프 및 진공계는 플라즈마 차폐판(602) 외부(진공 용기의 내부벽과 상기 판 사이의 공간)에 설치된다. 오염에 대한 대책을 충분히 수행하기 위해, 플라즈마 차폐판(602)의 밀폐도는 높아야 하나, 반면에, 이런 경우, 플라즈마 차폐판(602)의 내부 및 외부가 서로 다른 진공도를 가지며, 플라즈마 차폐판(602) 내부의 중요한 진공도를 알 수 없게 되는 큰 문제가 있다. 종래의 진공계에서는, 미소 전류의 절대값이 필요하기 때문에, 플라즈마(601)로부터 이온 또는 전자가 고농도로 존재하는 플라즈마 차폐판(602) 내부에 계측기를 설치하는 것이 완전히 불가능하다. 그러나, 이번 실시예에서는 이것이 간단한 구조로 실현될 수 있다.
이번 실시예에서, 장치로서, 이온원은 포함되지 않으나, 통상 약 10에서 30 eV까지의 고에너지를 갖는 양전하가 플라즈마의 중심부에서 방출되기 때문에, 플라즈마(601)로부터의 이온(120)이 측정에 사용된다. 본 발명의 방법으로, 측정되는 전류량 그 자체는 측정 결과와 관련이 없으며, 제 1 및 제 2 콜렉터의 전류량의 비율만이 필요하다. 따라서, 이 실시예에서는 전류값이 전혀 알려지지 않고 또한 그 값이 변하는 경우에도, 측정이 문제 없이 수행될 수 있다. 그러나, 플라즈마에서 저에너지를 갖는 이온이 더 많은 양으로 존재하기 때문에, 이들을 구별하기 위해, 스트레이 이온 방지판(401a 및 401b)의 전위가 고에너지를 갖는 양이온만을 측정하도록 조정된다. 게다가, 이번 실시예에서는 이온원이 내부 콜렉터에 대응하는 성분을 가지고 있지 않으며 I0가 미지이기 때문에, 제 1 콜렉터로서 콜렉터(202)에 의한 IL1 및 제 2 콜렉터로서 콜렉터(203)에 의한 IL2로부터, 평균 자유 경로가 식(5)을 사용하여 계산된다.
도 9에서, 쉴드 케이스(603)의 전극은 제 2 실시예(도 6)의 전극과 동일하게 설정되나, 쉴드 케이스(603)의 구성은 또한 제 3 실시예(도 7)의 구성과 동일하게 설정된다. 즉, 이온 블랭킹(501) 및 콜렉터(202 및 203)가 쉴드 케이스(603)에 설치되는 간단한 구조로 형성될 수 있다. 그러나, 이온 블랭킹(501)의 메쉬에 인가되는 저전위(사각파의 하부에서의 전위)는 0V가 아니며, 저에너지를 갖는 이온(110)을 제거하도록 약 +5V에서 +50V까지 가변적으로 설정된다. 또한, 락-인 증폭기의 사용으로 플라즈마(601)(및 플라즈마 발생 장치)로부터의 전기적 영향을 제거할 수 있는 장점이 있다.
상기 기술된 대로, 이번 실시예에서는 플라즈마로부터의 이온을 이용하여, 통상적으로 불가능한, 플라즈마 영역의 측정이 가능하게 된다.
(제 5 실시예)
도 10은 본 발명의 제 5 실시예에 따른 평균 자유 경로를 측정하는 장치를 나타내는 도면이며, 본 실시예에 따른 장치(1007)는 상기 언급된 각 실시예에서의 것보다 더 열등한 진공도의 영역에 대해 적합하다. 도 10에서, 아래 도면은 정면도이며, 윗 도면은 상면도이다. 투과형 콜렉터(202)는 각 실시예의 콜렉터와 동일하나, 이온원(100)으로서, 전적으로 길고 얇은 형태를 갖는 간단한 것이 사용된다. 이온원(100)은 SUS 등으로 구성된 판 형태(약 8mm × 2mm로, 전자는 투과할 수 없다)의 그리드(102)만을 가지며, 와이어(Φ는 약 0.2mm, 길이는 약 8mm)의 필라멘트(101)는 텅스텐으로 구성된다. 한편, 본 실시예의 그리드는, 실린더형이고 전자를 투과시켜 내부에 이온을 발생시키는 제 3 실시예까지의 그리도와는 다른 형태이며, 판 형태이고 그리드 근처에서 이온화를 수행하므로, 전자를 투과하도록 하는 것이 불필요하다. 그 결과, 메쉬/격자 형태 대신에 밀폐된 간단한 판이 사용된다. +100V의 전압이 그리드(102)에 인가되며, 약 +30V가 필라멘트(101)에 인가되고, 이 둘 사이의 간격은 약 1mm이다.
필라멘트(101)로부터 방출된 전자(310)는 그리드(102)로 진행하며, 그리드(102) 근처에서 분위기 가스와 충돌하여 양전하의 이온(110)을 발생시킨다. 이온(110)이 실질적으로 그리드(102)의 전위(+100V)에서 생성되기 때문에, 이온은 전자(310)빔과 반대방향으로 쉴드 케이스(603)를 향해 진행한다. 쉴드 케이스(603)의 전면(그리드(102), 필라멘트(101) 측)은 슬릿(약 8mm×2mm)을 포함하기 때문에, 슬릿에 도달한 이온(110)은 쉴드 케이스(603)의 내부로 진행한다. 그리드(102)와 쉴드 케이스(603)의 전면 사이의 간격은 약 3mm로 설정되며, 쉴드 케이스(603)와 콜렉터(202) 사이의 간격은 1mm로 설정된다. 콜렉터(202)(약 5mm×1.5mm)는 SUS 등으로 구성된 메쉬(간격은 0.3mm, 투과율은 약 50%)이며, 콜렉터(203)(약 5mm×1.5mm)는 SUS 등으로 구성된 판이다. 콜렉터(202)와 콜렉터(203) 사이의 간격은 정확히 5mm로 설정된다.
쉴드 케이스(603)는 SUS 등으로 구성된 금속판(약 1mm의 두께)이며, 스트레이 이온이 외부로부터 상기 케이스에 들어가지 않도록 콜렉터(202 및 203) 모두를 둘러싼다(도 9의 플라즈마에 대한 경우와 비교할 때, 밀폐도는 덜 심하다). 쉴드 케이스(603)의 형태는 담배 케이스만큼 길고 얇다(그리고, 이온(110)의 빔도 또한길고 얇다). 따라서, 이온의 비행 영역에 발생된 스트레이 이온은 더 멀리 놓인 콜렉터에 도달하는 대신 더 가까이 놓인 쉴드 케이스(603)에 의해 흡수되기가 쉽다. 그리고, 쉴드 케이스(603)는 쉴드 케이스(603)로(주로 전면의 슬릿 근처) 유입하는 이온 전류를 측정할 수 있는 전류계와 연결되며, 도 5 내지 7의 내부 콜렉터(201)와 대응한다. 쉴드 케이스(603)의 전면은 투과형 콜렉터(202)와 동일한 방식으로 이온의 일부를 포획하고 다른 이온을 투과시키도록 하는 구조를 가지며, 감쇠 교정을 수행하여 내부 콜렉터로서 기능할 수 있다. 즉, 쉴드 케이스(603)는 스트레이 이온을 차단 및 흡수하는 기능, 및 내부 콜렉터의 기능을 가진다. 한편, 전위에 있어서, 콜렉터(202 및 203) 모두와 쉴드 케이스(603)는 접지된다(0V).
판 형태의 그리드 및 콜렉터가 필라멘트의 양측에 배치되는 진공계는 슐츠(Schulz) 계측기로 알려져 있는데, 이는 실린더형 그리드의 이온계와 동일한 원리에 기반하고 있으나, 약 0.1Pa에서 100Pa까지의 적용가능한 진공도를 더 열등한 진공도로 이동시킨다. 즉, 필라멘트로부터 발생된 전자가 그리드에서 가속화되며, 분위기 가스와 충돌되어 이온을 발생시키고, 이온이 콜렉터로 수집되어 이온 전류를 측정하는 원리는 정확히 동일하다. 그러나, 그리드가 판 형태로 형성되고 필라멘트 근처에 설정되며 이온의 발생 효율이 적게 하여 이온에 기인한 공간 전하의 효과를 줄이고, 콜렉터 또한 필라멘트 근처에 설정되어 이온의 포획을 가속화하여 이온계의 한계인 10Pa보다 더 열등한 진공도에서 작동을 가능하게 하도록 구성된다. 본 실시예에서 그리드(102), 필라멘트(101) 및 쉴드 케이스(603)의 전면은 실질적으로 슐츠 계측기의 것과 동일한 구조를 가지므로, 약 0.1Pa 내지 100Pa의 범위에서 진공도를 측정하는 것이 가능하다.
본 실시예에서 평균 자유 경로의 측정 절차는 제 1 실시예의 경우와 정확히 동일하고, 또한 높은 정확도가 요구되는 경우 미리 "무감쇠 교정"이 수행되는 것도 동일하다. 그러나, 콜렉터(202) 및 콜렉터(203) 사이의 거리가 5mm이고, 내부 콜렉터로서 쉴드 케이스(603)의 전면과 콜렉터(202) 사이의 거리가 1mm이도록 비행거리가 더 짧게 구성된다. 따라서, 약 0.4Pa에서 6Pa까지의 측정은 식(5)에 따라 전자에 의해 수행되며, 약 2Pa에서 30Pa까지의 측정은 식(3)에 따라 후자에 의해 수행된다. 그리고, "진공계 교정" 또한 제 1 실시예의 교정과 동일하나, 동작은 슐츠 계측기와 유사하기 때문에, 약 0.1Pa에서 100Pa까지의 측정이 수행될 수 있다.
상기 기술된 대로, 본 실시예에서는 높은 정확도를 가지고 0.1Pa 내지 100Pa의 범위에서의 측정이 매우 간단한 구조로 가능하게 된다.
(제 6 실시예)
도 11a는 본 발명의 제 6 실시예에 따른 평균 자유 경로를 측정하는 장치를 나타내는 도면이다. 한편, 도 11a의 윗 도면은 본 실시예에 따른 장치(1007)의 상면도이며, 아래 도면은 전면도이다. 도 11b는 도 11a에 도시된 장치(1007)의 필라멘트/그리드의 제어 회로를 나타내는 도면이다. 본 실시예에 따른 장치(1007)는 측정에 사용되는 하전 입자가 더 넓은 범위의 측정 수행을 가능하게 하도록 이온과 전자 사이에서 교환가능하도록 구성된다. 분위기에 설치된 부분은 인가되는 전압을 제외하고 제 5 실시예의 부분과 동일하나, 필라멘트/그리드의 제어 회로는 새로운 것으로 대체된다.
먼저, 이온이 이용되는 경우, 정확히 제 5 실시예와 동일한 방식으로 작동되며, 필요에 따라 "무감쇠 교정" 및 "진공계 교정"의 실행이 또한 동일하다. 즉, 도 11b에 도시된 대로, 스위치(1101 및 1102)가 +30V의 전위를 필라멘트(101)에 인가하고 +100V의 전위를 그리드(102)에 인가하도록 스위칭된다. 스위칭은 이온을 발생시킨다.
다음으로, 진자가 이용되는 경우, 필라멘트(101)는 약 -30V로 설정되며, 필라멘트(101)와 동일한 전위가 또한 그리드(102)에 인가된다. 즉, 도 11b에 도시된 대로, 스위치(1101 및 1102)는 필라멘트(101) 및 그리드(102)에 -30V의 전위를 인가하도록 스위칭된다. 스위칭은 전자의 진행방향을 역전시키며, 전자는 그리드(102)의 반대측(도 11a의 우측)에 놓인 비행 영역으로 주입된다. 필라멘트(101)로부터 방출된 전자(310)는 대지 전위의 쉴드 케이스(603)를 향해 인출되며, 슬릿으로부터 쉴드 케이스(603)의 내부로 진행한다. 전자(310)는 차후의 분위기 가스와의 충돌 및 콜렉터(202 및 203)로의 도착/측정과 같은 이온의 경우와 동일한 방식으로 작동하나, 전자는 이온의 평균 자유 경로의 4배의 평균 자유 경로를 가지기 때문에, 인가되는 진공도는 약 5배까지 더 열등할 수 있다. 한편, 전자는 이온과 비교하여 낮은 충돌 에너지를 갖는 2차적 전자 방출을 발생시키나, 본 실시예에서는 콜렉터로의 충돌 에너지가 약 30eV이기 때문에, 전자 전류 측정에서 2차적 전자 방출의 영향을 작다.
따라서, 전자의 경우, 식(5)에 따라 콜렉터(202) 및 콜렉터(203)에 의한 약 2Pa 내지 30Pa의 측정, 및 식(3)에 따라 내부 콜렉터로서 쉴드 케이스(603)의 전면 및 콜렉터(202)에 의한 약 10Pa 내지 150Pa의 측정을 수행하는 것이 가능하다. 결과적으로, 이온에 의한 식(5)에 따른 약 0.4Pa 내지 6Pa의 결합은 평균 자유 경로가 0.4Pa에서 200Pa까지 직접적으로 측정될 수 있는 범위를 연장한다.
상기 기술된 대로, 본 실시예에서는 이온/전자 사이의 스위칭이 0.4Pa에서 200Pa까지의 넓은 범위에서 평균 자유 경로의 측정을 가능하게 한다.
(제 7 실시예)
도 12a는 본 발명의 제 7 실시예에 따른 평균 자유 경로를 측정하는 장치를 나타내는 도면이다. 도 12a의 상측 도면은 본 실시예에 따른 장치(1007)의 상면도이며, 하측 도면은 전면도이다. 도 12b는 도 12a에 도시된 장치(1007)의 필라멘트의 제어 회로를 나타내는 도면이다. 본 실시예에 따른 장치(1007)는 전자 전용 장치로서 더 간단한 구조를 가지며, 동일한 필라멘트(101)를 사용하는 피라니(Pirani) 진공계의 기능이 제공된다. 분위기에 설치된 부분은 그리드가 존재하지 않는 것을 제외하고는 제 6 실시예의 부분과 동일하나, 도 12b에 도시된 대로, 필라멘트의 제어 회로는 새로운 것으로 대체된다. 전자(310)에 의해 평균 자유 경로를 측정하는 동작/절차는 정확히 제 6 실시예의 경우와 동일하고, 필요에 따른 "무감쇠 교정" 및 "진공계 교정"의 수행이 또한 동일하다.
피라니 진공계는 견고하고 범용성이 크며, 많은 용도로 넓게 사용된다. 이는 가열된 필라멘트의 온도(실제로 측정되는 것은 온도 의존성을 갖는 저항값이다)가 분위기의 진공도에 의존하는 것을 이용하며, 필라멘트의 가열 및 저항값의 측정이 필요하다. 평균 자유 경로를 측정하기 위한 필라멘트의 가열은 전용될 수 있기 때문에, 필라멘트의 저장값의 측정이 수행될 수 있는 것으로 충분하다. 따라서, 도 12b에 도시된 대로, 본 실시예에서는 저항 측정 회로(1201)가 필라멘트(101)의 제어 회로에 설치된다.
피라니 진공계로 적용가능한 진공도의 범위는 가령 약 1Pa에서 1000Pa까지로 넓으나, 이온계의 경우처럼, 감도(변환값)인 신호 양의 절대값의 변화가 심하다는 결함이 있으므로, "진공계 교정"이 매우 효과적이다. "진공계 교정"은 제 1 실시예의 교정과 유사하며, 감쇠가 공지된 종류의 가스로 발생하는 레벨로 진공도를 유지하면서, 평균 자유 경로의 측정값과 피라니 진공계에 의한 측정값이 비교되어 피라니 진공계의 감도(변환값)를 교정한다. 그 결과, 약 2Pa에서 150Pa까지 평균 자유 경로의 직접적 측정, 및 약 1Pa에서 1000Pa까지 피라니 진공계 측정을 수행하는 것이 가능하다.
상기 기술된 대로, 본 실시예에서는 "진공계 교정"에 의해 높은 범용성을 갖는 피라니 진공계로 높은 정확도의 측정이 가능해진다.
(제 8 실시예)
도 13a는 본 발명의 제 8 실시예에 따른 평균 자유 경로를 측정하는 장치를 나타내는 도면이다. 도 13a의 상측 도면은 본 실시예에 따른 장치(1007)의 상면도이며, 하측 도면은 전면도이다. 도 13b는 도 13a에 도시된 장치의 개별 전극의 형태를 나타내는 도면이며, 도 13c는 도 13b의 라인(A)의 전자빔 궤도를 나타내는 도면이며, 도 13d는 도 13b의 라인(B)의 전자빔 궤도를 나타내는 도면이다. 본 실시예에 따른 장치(1007)에서는, 넓은 폭(면적)을 갖는 전자원이 사용되며, 콜렉터의 형태는 "무감쇠 교정" 없이 대응이 가능하도록 고안된다. 이는 다음의 필요조건에 기인한다. 1800℃까지의 고온의 필라멘트 시스템에서는, 분위기 가스와의 반응에 문제가 있으며, 간접 가열형 산화물 음극(cathode) 또는 저온으로 가능한 또 다른 저온 전자원이 바람직하다. 그러나, 이런 전자원은 상당히 낮은 휘도(brightness)(전자의 강도, 단위면적 및 단위각도당 방출된 전자의 양)를 초래한다. 게다가, 적용에 따라, 분위기의 진공도가 충분히 우수하게 만들어지지 않으며, "무감쇠 교정"이 사용될 수 없는 경우가 있다.
전자원(300)은 간접 가열형 산화물 음극이며, 길이는 필라멘트와 비교하여 약 3배(약 25mm)이고, 폭은 넓다(약 3mm). 도 13b에 도시된 대로, 빔각 제한판(400)은 규칙적 간격으로 약 1.5mm×3mm의 4개 홀(작은 윈도우)을 포함한다. 도 13b에 도시된 대로, 콜렉터(202)는 빔각 제한판(400)의 홀과 부분적으로 겹쳐지도록 약 2mm×4mm의 2개 홀(작은 윈도우)을 포함한다. 도 13b에 도시된 대로, 콜렉터(203)는 홀(작은 윈도우)을 가지고 있지 않다.
도 13a에서 전자원(300)의 표면, 빔각 제한판(400), 콜렉터(202) 및 콜렉터(203) 사이의 간격들은 각각 약 5mm, 1mm 및 5mm이며, 이들의 외부 크기는 대략 30mm×8mm이다. 콜렉터(202)와 콜렉터(203) 사이에 스트레이 전자 흡수판(412)이 설치된다.
빔각 제한판(400), 콜렉터(202), 콜렉터(203) 및 스트레이 전자 흡수판(412) 각각은 SUS 등으로 구성된 판으로 약 0.5mm의 두께를 가진다. 전자원(300)은 -30V의 전위를 가지며, 스트레이 전자 흡수판(412)은 +5V의 전위를 가지나, 다른 모든 것은 대지 전위(0V)로 설정된다.
전자원(300)으로부터 방출된 전자(310)는 빔각 제한판(400)을 향해 나아가며, 빔각 제한판(400)의 4개 홀(작은 윈도우)을 통과한다. 빔각 제한판(400)의 4개 홀을 통과한 전자(310) 가운데, 2개 홀을 통과한 전자는 콜렉터(202)에 의해 검출된다. 반면에, 나머지 2개 홀을 통과한 전자는 또한 콜렉터(202)의 홀(작은 윈도우)을 통과하여 콜렉터(203)에 의해 검출된다. 전자의 상황은 도 13c에 도시되며, 후자의 상황은 도 13d에 도시된다. 콜렉터(202)의 홀(작은 윈도우)의 크기가 빔각 제한판(400)의 크기보다 더 크도록 설정된 이유는 콜렉터(203)으로 비행하는 전자(310)가 콜렉터(202)에 의해 검출되지 않아야 하기 때문이다. 또한, 콜렉터(202)가 2개 홀(작은 윈도우)을 가지고 있으나 그 위치가 비대칭인 이유는 종단방향으로 전자원(300)으로부터 방출된 전자(310) 양의 불균일성의 영향을 상쇄하기 위함이다. 그 결과, 전자(310)에 대한 콜렉터(202) 및 콜렉터(203)의 검출 비율 중 하나는 50%이다.
즉, 본 실시예에서, 투과형 콜렉터(202)에서 제공되는 홀(개구부)의 수보다 많은 수의 홀(개구부)을 갖는 빔각 제한판(400)은 전자원(300)과 콜렉터(202) 사이에 위치된다. 게다가, 콜렉터(202)와 빔각 제한판(400)에 제공된 홀을 통과한 전자의 일부(예컨대, 50%)를 포획하며, 다른 전자(예컨대, 50%)는 통과시키도록 하기 위해 빔각 제한판(400)에 제공된 홀 및 콜렉터(202)에 제공된 홀이 위치결정된다.
전자(310)에 의한 평균 자유 경로의 측정의 동작/절차 및 진공도의 범위는 제 7 실시예의 경우와 동일하다. 그러나, 이전의 실시예의 메쉬 형태와 다르게, 홀(작은 윈도우)의 면적이 콜렉터(202)에서 크고, 그 투과율은 정확히 추정되며, 투과율은 오염으로 인해 거의 변하지 않기 때문에, 무감쇠 교정이 반드시 요구되는 것은 아니다. 즉, 콜렉터(202)의 투과성을 실현하기 위해, 메쉬의 이용이 가장 간단하나, 무감쇠 교정에 의해 커버되는 중요 투과율을 결정하는 관점에서는 어려움이 있다. 반면에, 본 실시예는 복잡해질지라도, 판에 대한 개공(hole-opening) 공정에 의해 콜렉터(202)에 형성되는 개구를 형성하고 한 개구의 면적을 크게 만들어, 변형/오염의 영향을 적게 받고 또한 계산에 의해 투과율을 결정할 수 있는 구조를 채택한다. 그 결과, 무감쇠 교정이 수행되지 않는 경우에도, 임의의 정확도 레벨을 갖는 측정이 수행될 수 있도록 구성된다.
또한, 넓은 폭의 전자원이 사용되기 때문에, 매우 길고 얇은 형태가 채택될 수 없으므로, 본 실시예에서는 도 11 및 12와 다르게, 전위로 인가된 스트레이 전자 흡수판(412)이 필요하다. 즉, 스트레이 전자에 대해, 콜렉터(202 및 203)와 스트레이 전자 흡수판(412) 사이의 거리가 약간 다르기 때문에, 공간이 일정한 전위에 있다면, 상당한 스트레이 전자가 가능하게는 콜렉터(202 및 203) 모두로 유입한다. 따라서, 전자를 적극적으로 인출하도록 +5V의 전위를 스트레이 전자 흡수판(412)에 인가한다. 그 결과, 스트레이 전자는 콜렉터(202 및 203) 모두에 도달하지 않고, 스트레이 전자 흡수판(412)에 의해 흡수된다. 한편, 분위기 가스와 충돌 없이 콜렉터(203)에 도달해야 하는 전자는 30V의 운동 에너지를 가지기 때문에, 이들은 스트레이 전자 흡수판(412)에 의해 영향받지 않으며, 정상적으로 콜렉터(203)에 의해 측정된다. 그러나, 전자원은 넓은 폭을 가지기 때문에, 제 5 내지 제 7 실시예와 다르게, 내부 콜렉터에 대응하는 전극을 준비하는 것이 다소 어려우며, 본 실시예에서는 포함되지 않는다.
그 결과, 콜렉터(202) 및 콜렉터(203)에 의해 전자의 수를 검출하여, 약 2Pa에서 30Pa까지의 측정이 식(5)에 따라 수행될 수 있다. 그러나, 내부 콜렉터에 대응하는 전극이 없기 때문에, 더 열등한 진공도에서 측정이 수행될 수 없다.
상기 기술된 대로, 본 실시예에서는 저온의 간접 가열형 전자원이 사용될 수 있으며, "무감쇠 교정"이 수행되지 않더라도, 높은 정확도를 갖는 측정이 수행될 수 있다.
(제 9 실시예)
도 14a는 본 발명의 제 9 실시예에 따른 평균 자유 경로를 측정하는 장치를 나타내는 도면이다. 한편, 도 14a의 상측 도면은 본 실시예에 따른 장치(1007)의 상면도이며, 하측 도면은 전면도이다. 도 14b는 도 14a에 도시된 개별 전극의 형태 및 그 회로를 나타내는 도면이다. 본 실시예에 따른 장치(1007)에서, 많은 콜렉터의 사용은 적용가능한 전공도의 범위를 넓여주며, 또한 전자원을 구현하고 "무감쇠 교정"을 생략하게 한다. 기본적 구조/동작은 도 13의 제 8 실시예의 경우와 동일하나, 콜렉터의 수는 증가되며, 락-인(변조 동기형) 증폭기(502)가 사용된다. 따라서, 본 실시예에서는 스트레이 전자 흡수판의 사용이 불필요하다.
전자원(300)은 정확히 제 8 실시예의 전자원과 동일하다. 빔각 제한판(400)은 규칙적 간격으로 약 1mm×2.5mm의 10개 홀(작은 윈도우)을 포함한다. 콜렉터(202)는 빔각 제한판(400)의 홀과 겹쳐지도록 약 1.5mm×3mm의 8개 홀(작은 윈도우)을 포함한다. 동일한 방식으로, 콜렉터(203)는 콜렉터(202)의 홀과 겹쳐지도록 약 2mm×3.5mm의 6개 홀(작은 윈도우)을 포함한다. 콜렉터(204)는 콜렉터(203)의 홀과 겹쳐지도록 약 2.5mm×4mm의 4개 홀(작은 윈도우)을 포함한다. 콜렉터(205)는 콜렉터(204)의 홀과 겹쳐지도록 약 3mm×4.5mm의 2개 홀(작은 윈도우)을 포함한다. 콜렉터(206)는 홀(작은 윈도우)이 없다.
전자원(300)의 표면과 빔각 제한판(400) 사이의 거리는 약 5mm이며, 콜렉터(202)로부터 콜렉터(203, 204, 205 및 206)까지의 개별 거리는 각각 0.15mm, 0.5mm, 1.5mm 및 5mm로 설정된다. 그 외부 형태는 대략 30mm×8mm이다. 빔각 제한판(400), 콜렉터(202 내지 206) 각각은 SUS 등으로 구성된 판이며, 두께는 약 0.5mm이다. 전자원(300)(전자원(300)은 -30V의 전위를 가진다)을 제외하고, 모든 전극의 전위는 대지 전위(0V)로 설정된다.
5개 콜렉터(202 내지 206) 각각은 빔각 제한판(400)의 10개 홀(작은 윈도우)을 통과하는 전자(310) 중 2개 홀(작은 윈도우)을 통과하는 전자(310)만을 검출한다. 따라서, 개별 콜렉터의 전자(310)의 검출 비율은 20%이다. 한편, 콜렉터(202 및 203)의 경우처럼, 콜렉터(204 내지 206)에 의해 검출된 전자의 수(하전입자의 수)는 RAM(1003)에 저장된다.
도 14b에 도시된 대로, 본 실시예에서는 비행거리가 짧고 스트레이 전자 흡수판이 설치될 수 없기 때문에, 스트레이 전자를 전기적으로 제거하는 락-인(변조 동기형) 증폭기(502)가 사용된다. 락-인(변조 동기형) 증폭기의 구성/동작은 기본적으로 제 3 실시예(도 7 및 8)의 경우와 동일하다. 그러나, 전자가 이온 대신에 사용되며, 단지 극성이 다르고 충돌 없이 콜렉터에 도달하는 시간이 더 짧다. 블랭킹에 대해, ±30V의 사각 전위는 전자원(300)에 인가되며, 차단을 위한 메쉬 대신 빔이 동일한 방식으로 블랭킹된다. 물론, 콜렉터 사이의 스위칭이 증가된다. 본 실시예에서는, 콜렉터의 스위칭이 스위치(1402 및 1403)로 수행된다. 즉, 스위치(1402)는 비교 대상으로 콜렉터를 선택하는 스위치로서 기능하며, 스위치(1403)는 진공도(전자의 비행거리)의 범위를 선택하는 스위치로서 기능한다.
도 14a 및 14b에 도시된 대로, 콜렉터(202)에서 콜렉터(206)을 향해 나아가면서, 전자의 비행거리는 더 길어진다. 그리고, 개별 콜렉터 사이의 전자의 비행거리는 또한 콜렉터(202)에서 콜렉터(206)을 향해 나아가면서 더 길어진다. 따라서, 어느 콜렉터를 제 1 콜렉터 및 제 2 콜렉터로 설정하는지의 선택에 따라, 측정가능한 진공도의 범위가 다르다.
예컨대, 제 1 콜렉터로서 콜렉터(202)를 사용하고 제 2 콜렉터로서 콜렉터(203)를 사용하는 경우(콜렉터 사이의 거리 L2-L1=0.15mm), 개별 콜렉터에 의한 진공도의 범위는 약 60Pa에서 900Pa까지이다. 그리고, 제 1 콜렉터로서 콜렉터(202)를 사용하고 제 2 콜렉터로서 콜렉터(204)를 사용하는 경우(콜렉터 사이의 거리 L2-L1=0.5mm), 진공도의 범위는 약 20Pa에서 300Pa까지이다. 게다가, 제 1 콜렉터로서 콜렉터(202)를 사용하고 제 2 콜렉터로서 콜렉터(205)를 사용하는 경우(콜렉터 사이의 거리 L2-L1=1.5mm), 진공도의 범위는 약 6Pa에서 90Pa까지이다. 또한, 제 1 콜렉터로서 콜렉터(202)를 사용하고 제 2 콜렉터로서 콜렉터(206)를 사용하는 경우(콜렉터 사이의 거리 L2-L1=5mm), 진공도의 범위는 약 2Pa에서 30Pa까지이다. (각각은 식(5)에 따라 계산된다.) 따라서, 전체적으로 적용가능한 진공도의 범위는 2Pa에서 900Pa까지로 넓어진다.
상기 기술된 대로, 본 실시예에서, 2Pa에서 900Pa까지의 넓은 범위에서 평균 자유 경로의 측정은 콜렉터 사이의 스위칭에 의해 가능하게 된다.
(제 10 실시예)
도 15a는 본 발명의 제 10 실시예에 따라 평균 자유 경로를 측정하는 장치를 나타내는 도면이며, 도 15b는 A-A' 라인에 따라 도 15a에서의 횡단면도이다. 본 실시예는 서로 다른 비행거리가 하나의 콜렉터로 측정되며 또한 기계적 구조가 변하지 않도록 구성된다.
거리를 변화시키는 원리는 진행방향(축방향)과 평행한 자기장이 존재하는 경우 전자가 나선 운동을 수행하며, 헬릭스(helix)의 수가 진행방향으로의 속도(운동 에너지)에 의존하는 점에 기반한다. 하전 입자로서 이온이 또한 이용될 수 있으나, 강한 자기장이 필요하고 나선 운동(직경)은 가스의 종류에 따라 변화하는 문제가 있기 때문에, 전자가 본 실시예에서 사용된다.
본 실시예에서, 2개 자석 사이에, 필라멘트(101)와 이를 둘러싸는 필라멘트 케이스(320), 및 궤도 전위 조정판(703)이 설정되며, 쉴드 케이스(603)가 전체를 둘러싼다. 자석은 전기전도성 자석(가령, 알니코(alnico))이며, 둘 다 약 Φ 60mm×5mm를 가지고, 하나의 자석은 전자(310)를 쫓아 보내는 리펠러(repeller)로서 역할을 하며, 다른 하나의 자석은 콜렉터로서 역할을 한다.
전자는 리펠러로서도 사용되는 자석(701)이어야 하며, 후자는 콜렉터로서도 사용되는 자석(702)이어야 한다. 둘의 거리는 약 80mm이며, 이들 사이의 자기장은 16 가우스가 되도록 조정된다.
필라멘트(101)는 약 Φ 0.2mm의 텅스텐으로 구성된 와이어이며 헤어핀 형태이다(그 단부는 예각으로 휘어짐). 필라멘트 케이스(320)는 두께가 약 0.3mm인 약 6mm×3mm×30mm의 박스이고, 상부면에 약 Φ 1mm의 원형 홀을 가지며, 필라멘트(101)의 팁(tip)이 원형 홀의 중심과 만나도록 놓인다. 이는 전자(310)의 얇은 빔을 형성하는 방법으로 잘 알려져 있다. 필라멘트 케이스(320)의 원형 홀은 축방향에서 리펠러 및 자석(701)로부터 약 2mm 이격되고, 축으로부터 약 20mm 이격되어 놓이며, 원의 외주를 향한다. 궤도 전위 조정판(703)은 2중 실린더(외부 실린더의 내직경: 약 Φ 45mm, 내부 실린더의 외직경: 약 Φ 35mm, 전자는 Φ 35mm와 Φ 45mm 사이를 통과함)이며, 그 전위를 변화시켜, 축방향으로 전자(310)의 속도가 전자의 나선 운동의 헬릭스 수를 조정할 수 있도록 변화한다.
궤도 전위 조정판(703)과 자석(702) 사이의 거리(축방향)는 약 5mm이다. 필라멘트 케이스(320)와 궤도 전위 조정판(703)이 전기전도성이고 비자성이어야 하기 때문에, 이들은 SUS로 구성된다.
쉴드 케이스(603)는 두께가 약 5mm인 순철(또는 자성 스테인리스 강)로 구성되며, 교란 자기장을 차폐하기 위함 및 자석의 요크(yoke)로서 역할을 한다.
먼저, 개별 전극의 전위는 다음과 같이 설정된다. 리펠러 및 자석(701)의 전위는 -30V로 설정되며, 콜렉터와 자석(702)의 전위는 0V로 설정되고, 필라멘트 케이스(320)의 전위는 -30V로 설정되며, 궤도 전위 조정판(703)의 전위는 0V로 설정된다. 전자(310)는 100V(필라멘트(101)의 전위 -130V와 필라멘트 케이스(320)의 전위 -30V의 차이)의 운동 에너지로 원주 방향에서 방출되며, 16 가우스의 자기장이 축방향(도면에서 좌우 방향)으로 인가되기 때문에, 로렌츠 힘에 기인하여 직경 약 40mm의 원주 운동을 수행한다. 두 자석 사이에, 반경방향(도면에서 상하방향)의 전위가 일정하고, 축방향으로 자기장이 또한 일정하기 때문에, 원주 운동은 전자가 콜렉터와 자석(702)에 도달할 때까지 계속된다. 반면에, 축방향으로 전위가 리펠러, 자석(701) 및 필라멘트 케이스(320)의 -30V에서 궤도 전위 조정판(703)의 0V로 즉시 변화하고 차후에 일정하므로, 전자는 30eV의 운동 에너지를 갖는 등속 운동을 수행한다. 전자는 반경방향에서의 운동 및 축방향에서의 운동의 합성에 의한 나선 운동을 수행한다.
시뮬레이션의 결과로부터 다음의 사항이 판명된다. 30eV의 운동 에너지를 가지고 축방향으로 진행하는 경우, 전자(310)는 전자가 콜렉터 및 자석(702)에 도달할 때까지 실질적으로 1회전의 나선 운동을 수행한다. 다음으로, 다른 조건을 동일하게 유지하면서, 궤도 전위 조정판(703)의 전위만이 -29V(즉, 1eV의 운동 에너지)로 설정되면, 5.5 회전의 나선 운동이 수행된다. 상기 기술된 대로, 궤도 전위 조정판(703)의 전위를 변화시킴으로써, 실질적 비행거리는 동일한 콜렉터에 대해서도 변경될 수 있다. 비행거리가 변화되는 2개의 조건하에 콜렉터 및 자석(702)에 도달한 전자(310)를 검출하는 경우, 평균 자유 경로는 2개 콜렉터가 존재하는 상기 언급된 실시예와 동일한 방법으로 검출될 수 있다. 도 15a에서, 참조번호(310a 및 310b)는 대략 그 상황을 보여준다. 즉, 0V의 전위가 궤도 전위 조정판(703)에 인가되는 경우, 필라멘트 케이스(320)에서 방출된 전자는 참조번호(310a)에 의해 표시된 궤도를 따르며, 1회전의 나선 운동을 수행하고, 콜렉터 및 자석(702)에 의해 검출된다. 그리고, -29V의 전위가 궤도 전위 조정판(703)에 인가되는 경우, 필라멘트 케이스(320)에서 방출된 전자는 참조번호(310b)에 의해 표시된 궤도를 따르며, 5.5회전의 나선 운동을 수행하고, 콜렉터 및 자석(702)에 의해 검출된다.
분위기 가스와 충돌하고 운동 에너지를 잃은 스트레이 전자는 작은 헬릭스 직경을 가지며, 궤도 전위 조정판(703)의 내부 및 외부 직경 사이를 통과하기 어려우므로, 스트레이 전자의 영향은 미비하다. 그리고, 콜렉터에 대한 전자(310)의 충돌 에너지가 약 130eV(실질적으로 필라멘트(101)의 전위 -130V와 콜렉터(702)의 전위 0V 사이의 차이에 대응함)이기 때문에, 2차적 전자의 방출 비율은 높으나, 작은 운동 에너지를 갖는 2차적 전자는 작은 헬릭스 직경을 제공하므로, 전자는 산란되지 않고 전위 기울기에 의해 콜렉터로 돌아간다. 따라서, 2차적 전자 방출의 영향은 미비하다. 한편, 자기장 강도의 변동을 처리하기 위해, 필라멘트(101)의 전위(외주 방향으로 전자(310)의 운동 에너지)는 콜렉터와 전극(702)에 의해 수용되는 전자 전류가 가장 크게 되도록 측정 전에 조정된다. 왜냐하면, 가장 큰 전류에서 전자(310)의 헬릭스 직경이 외부 실린더의 내직경과 내부 실린더의 외직경 사이에 놓이기 때문에, 비행거리가 정확하게 추정될 수 있기 때문이다.
실제 비행거리는 "콜렉터 사이의 거리"의 제곱 및 "헬릭스 직경×헬릭스 수×π"의 제곱의 합의 제곱근이다. 본 실시예에서, 콜렉터 사이의 거리는 80mm이고 헬릭스 직경은 40mm이기 때문에, 비행거리는 1 나선 회전에서 149mm이고 5.5 나선 회전에서 820mm이다. 그 다음, 1 나선 회전에서 149mm의 비행거리를 L1, 전자 전류를 IL1으로 표시하고, 반면에 5.5 회전에서 533mm의 비행거리를 L2, 전자 전류를 IL2로 표시하여, 식(5)에 따라 평균 자유 경로가 얻어질 수 있다. 진공도의 적용가능한 범위는 1 및 5.5 회전에서 약 0.02Pa에서 0.3Pa까지이다.
더 상세하게는, 궤도 전위 조정판(703)에 인가된 전위와 그 전위에 대응하는 비행거리가 표로 연관되며 저장된다. 헬릭스의 수는 궤도 전위 조정판(703)에 인가된 전위로 결정되며, 제어부(1000)는 제 1 전위가 궤도 전위 조정판(703)에 인가되는 경우 콜렉터 및 자석(702)에 의해 검출된 제 1 전자(전자 전류)의 수를, 그리고 제 2 전위가 궤도 전위 조정판(703)에 인가되는 경우 콜렉터 및 자석(702)에 의해 검출된 제 2 전자(전자 전류)의 수를 각각 RAM(1003)에 저장한다. 이후에, 제어부(1000)는 표를 참조하고 궤도 전위 조정판(703)에 인가된 제 1 전위에 대응하는 제 1 비행거리, 및 궤도 전위 조정판(703)에 인가된 제 2 전위에 대응하는 제 2 비행거리를 얻으며(제 2 비행거리 > 제 1 비행거리; 따라서, 제 1 비행거리는 L1, 그리고 제 2 비행거리는 L2이다), RAM(1003)으로부터 제 1 전자(IL1)의 수 및 제 2 전자(IL2)의 수를 얻는다. 이후에, 제어부(1000)는 제 1 실시예에서와 동일한 방식으로 식(5)를 사용하여 평균 자유 경로를 산출한다.
또는, 콜렉터 및 자석(702)과 연결된 전류계로 검출된 전자의 수가 표시되도록 구성될 수 있다. 이런 경우, 사용자는 전류계에 표시된 값과 그 값에 대응하는 비행거리를 입력 조작부(1005)를 통해 제어부(1000)로 입력하고, 또한 평균 자유 경로의 계산 지시를 입력한다. 제어부(1000)는 사용자 입력에 의해 비행거리 및 전자의 수를 얻고, 계산 지시에 따라서, 식(3) 내지 (5) 중 하나에 따라 평균 자유 경로의 계산을 수행한다. 또는, 사용자는 전류계에 표시된 값을 과학용 전자계산기에 입력할 수 있다. 이런 경우, 사용자의 입력에 따라, 과학용 전자 계산기는 전자의 비행거리 및 감쇠 후 전자의 수를 얻고, 식(3) 내지 (5) 중 하나를 수행할 수 있다.
이런 경우들 중 하나에서, 평균 자유 경로를 산출하는 연산 장치(제어부(1000), 제어부(1000)에서 분리된 컴퓨터, 과학용 전자계산기 등)는 장치(1007)로부터의 전송, 또는 키보드나 터치 패널과 같은 입력 조작부를 통한 사용자 입력에 따라, 전자의 비행거리 및 감쇠 후 전자의 수를 얻을 수 있다.
상기 기술된 대로, 본 실시예에서는 임의의 비행거리에 의한 평균 자유 경로의 측정이 한 세트의 콜렉터로 가능하게 된다.
(다른 실시예)
이상에서는, 개별 실시예가 설명되었으나, 본 발명의 실시예는 이에 제한되지 않으며, 물론 개별 실시예의 요소 각각을 결합하거나 대체하는 것도 가능하다. 그리고, 전체 구조, 형태, 크기, 재료 및 개별 전극에 인가되는 전압은 상기 언급된 실시예들의 경우에 제한되지 않으며, 임의로 선택될 수 있다.
전체 구조로서, (실질적으로) 2개 콜렉터는 이온원(전자원) 외부에 준비되나, 더 간단한 구조를 만들기 위해, 식(3)을 사용하는 계산을 수행하도록 내부 콜렉터와 단지 하나의 외부 콜렉터를 준비하는 것도 가능하다. 한편, 내부 콜렉터에 관한 비행거리가 0으로 간주될 수 있기 때문에, 내부 콜렉터의 전류가 IL1로, 그리고 외부 콜렉터의 전류가 IL2로 표시되고, L1=0 및 외부 콜렉터에 관한 비행거리 = L2로 표시되는 경우, 식(5)는 직접 사용될 수 있다. 즉, 식(5)는 이들 모두에 적용될 수 있는 식이다.
이온원은 상기 언급된 실시예의 경우로 제한되지 않으며, 약 mA에서 nA까지의 전류의 이온이 방출되는 경우에만 방전/플라즈마형, 자기장(마그네트론)형, 알칼리 금속형, 액체 금속형 등이 임의로 선택될 수 있다. Li 산화물을 포함하는 알루미노 실리케이트(alumina silicate)의 소결체(sintered body)가 가열되어 Li+ 이온 등을 방출하는 알칼리 금속형 및, 액화되도록 가열된 Au가 고전압에 인가되어 Au+ 이온 등을 방출하는 액체 금속형이 Li과 Au의 특정 이온을 공급하기 때문에, 분위기 가스의 이온이 아닐지라도, 이들은 적용가능하다. 또한, 음이온이 수용될 수 있다. 전자원은 또한 상기 언급된 실시예의 경우와 동일한 정도의 전류의 전자가 방출되는 경우에만, 방전/플라즈마형, 전계방출형, 광전자 방출형 등으로부터 임의로 선택될 수 있다.
검출기는 상기 언급된 실시예의 판형 및 메쉬형 콜렉터에 제한되지 않으며, 패러데이(Faraday) 컵형 콜렉터, 다중채널판 또는 전자증배관(electron-multiplier) 튜브일 수 있다. 그리고, 상기 언급된 실시예에서, 하나의 이온원 및 복수의 콜렉터로 설정될 수 있으나, 반대로 하나의 콜렉터 및 복수의 이온원으로 설정하는 것도 가능하며, 복수의 단일 이온원 및 단일 콜렉터 세트(종래의 경우와 동일한 구성)를 준비하는 것도 가능하다. 한편, 복수의 콜렉터를 갖는 임의의 경우에, 제 1 하전 입자의 수 및 제 2 하전 입자의 수 모두의 측정이 동시에 수행될 수 있거나, 단시간에 스위칭에 의해 둘 모두 측정될 수 있다. 제 1 하전 입자의 수 및 제 2 하전 입자의 수 모두 측정하는 경우, 개별 검출 회로로 개별 전류를 측정하는 대신에, 처음부터 전류 비율을 측정할 수 있는 검출 회로를 구성하는 것도 가능하다.
상기 언급된 실시예에서 종래의 진공계(이온계 및 슐츠 계측기)의 제작과 유사한 기계적 방법에 의해 제작된 하전 입자 발생 구성으로 제한함이 없이, 콜렉터와 같은 전극을 조립하는 방법인 반도체 기술에서 향상된 미세 처리 기술(MEMS)이 또한 사용될 수 있다. MEMS에 따라, 비행거리는 쉽게 단축될 수 있으며, 더 열등한 진공도에서의 측정에 적합하다.
또한, 스트레이 이온(전자)에 대한 대책을 더 엄밀히 수행하기 위해, 대지 전위 대신에, 적극적으로 더 근접한 이온을 스트레이 이온 흡수판으로 당기도록 하기 위한 전위를 인가하는 것이 효과적이다. 그리고, 그곳에 에너지를 잃은 이온을 콜렉터에 도달하지 않도록 하기 위해, 차단 필드 대신에 편향 전기장에 의해 측면 방향으로 이들을 휘어지게 하는 것이 가능하다. 게다가, 처음부터 편향된 방향으로 콜렉터를 설치하는 것도 효과적이다.
종래 형태의 진공계의 교정을 수행하기 위한 "진공계 교정"은 상기 실시예에 대한 경우와 같이 본 발명의 장치에 수용된 것에 제한되지 않으며, 또한 케이블 연결을 통해 또 다른 독립된 진공계로 신호의 교환에 의해 수행될 수 있다. 즉, 예컨대, 장치(1007)는 산출된 평균 자유 경로의 값 그 자체 또는 평균 자유 경로의 값의 변환에 의해 얻어진 압력값을 다른 독립된 진공계로 전송할 수 있다. 그 결과, 기존의 진공계를 사용하면서, 측정의 정확성이 강화될 수 있다.
상기 실시예의 계산식들에 제한됨이 없이 평균 자유 경로를 산출하기 위해, 상기 계산식에 기초하면서 실험에 의해 얻어진 보정항(실험식)이 추가된 식을 이용하는 것도 가능하다.
게다가, 이 프로그램에서 평균 자유 경로의 계산식은 식(3), 식(4) 또는 식(5)에 제한되지 않으며, 이 식들의 일부를 보정하여 얻어진 식이 사용될 수 있다.
항목 15) "정확도 열화 요인"에서 언급된 대로, 이상적 상태로부터의 "변화(shift)"가 반드시 발생하며, 관련 조건(이온 전류, 이온 에너지, 이온 종류 등)이 동일하다면, 종종 "변화"도 실질적으로 동일하다. 그 다음, 실험적(경험적)으로 "변화"를 측정하고 이를 보정하는 계산식, 즉 실험식(보정항)과 통합된 계산식을 얻는 것이 가능하다. 실험식(예컨대, 곱셈에 관한 실험식(F) 및 덧셈에 관한 실험식(G))과 통합된 계산식(예컨대, λ= (L2-L1)/ln(IL1/IL2)×F + G)에 따른 프로그램을 사용하여, 더 높은 정확도를 갖는 측정이 수행될 수 있다. 또한, 보정항이 관련 조건에 의존하기 때문에, 몇몇 조건하에 실험을 수행하여, 변수로서 관련 조건을 사용하는 보정항의 함수(예컨대, 실험식(F 및 G))를 얻는 것이 가능하게 된다. 이런 사용은 더 나은 정확도를 갖는 측정을 수행하는 것도 가능하게 한다.
비행거리를 확대하거나 변경하는 방법으로서, 비행시간(Time of flight, TOF)형 질량분석계로 알려진 다양한 궤도 제어방법, 예컨대 이온이 왕복운동하는 리플렉트론(reflectron) 시스템, 이온이 동일한 궤도로 순환되는 멀티 턴(multi turn) 시스템 또는 이온이 나선 궤도로 순환되는 스파이럴(spiral) 시스템 등이 이용될 수 있다. 그리고, 단일 콜렉터가 비행 방향의 축 상에서 이동되는 방법 또는 측정을 수행하는 콜렉터가 축에 수직인 방향에서(축상에서 그리고 축의 외부에서) 복수의 콜렉터를 움직이면서 선택되는 방법이 가능할 수 있다.
또한, 개별 성분의 전공도를 측정하는데 필요한 질량분석계로서, 4중극(quadrupole)형, 이온원/콜렉터 사이 거리를 임의로 설정할 수 있는 자기장 섹터형, 비행시간형, 전기장/자기장 중첩형 등이 사용될 수 있다. 그리고, 이온원/콜렉터 사이 거리가 동일하더라도, 이온원의 발생에서 콜렉터의 검출까지의 실질적 시간, 즉 효과적 비행거리를 임의로 설정할 수 있는 이온 트랩(trap)형(3차원형 및 2차원형), 및 이온 사이클로트론(cyclotron)형이 또한 사용될 수 있다.
(또 다른 실시예)
본 발명은 복수의 장치(예컨대, 컴퓨터, 인터페이스 디바이스, 판독기, 프린터, 장치(1007) 등)로 구성된 시스템 또는 단일 장치로 구성된 장치에 적용될 수 있다.
상기 언급된 실시예의 제어부(1000)의 기능을 실현하도록 상기 언급된 실시예의 구성을 동작하게 하는 프로그램이 저장 매체에 저장되고, 상기 저장 매체에 저장된 프로그램이 코드로서 읽혀져 컴퓨터에 있어서 실행되는 처리 방법이 또한 상기 언급된 실시예의 카테고리에 포함된다. 즉, 컴퓨터가 읽을 수 있는 저장 매체가 또한 예의 범위에 포함된다. 게다가, 컴퓨터 프로그램을 저장하는 저장 매체는 물론, 컴퓨터 프로그램 그 자체도 본 실시예에 포함된다.
저장 매체로서, 예컨대 플로피 디스크(등록상표), 하드 디스크, 광학 디스크, 자기광학 디스크, CD-ROM, 자기 테이프, 비휘발성 메모리카드 및 ROM이 사용될 수 있다.
또한, 저장 매체에 저장된 프로그램 단일체에 의한 처리를 수행하는 것에 제한됨이 없이, 다른 소프트웨어 또는 연장 보드의 기능과 공동으로 OS상에서 동작하면서, 본 실시예의 동작을 수행하는 것도 본 실시예의 카테고리에 포함된다.

Claims (19)

  1. 하전 입자를 발생시키기 위한 발생원;
    상기 발생원으로부터 0 이상의 비행거리인 제 1 비행거리를 비행한 하전 입자 중 제 1 하전 입자의 수를 검출하기 위한 위치에 배열된 제 1 검출기 및 제 1 비행거리보다 더 긴 제 2 비행거리를 비행한 하전 입자 중 제 2 하전 입자의 수를 검출하기 위한 위치에 배열된 제 2 검출기를 구비하는 검출 수단; 및
    제 1 및 제 2 하전 입자의 수 사이의 비율로부터 평균 자유 경로를 산출하기 위한 산출 수단을 포함하며,
    상기 발생원으로부터 발생된 제 1 및 제 2 비행거리를 비행한 하전 입자 모두가 분위기 가스를 통과해 검출 수단에 의해 검출되어 측정되도록 구성되는 평균 자유 경로를 측정하는 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 발생원은:
    전자를 방출시키기 위한 필라멘트;
    전면 근처에 이온을 생성하도록 상기 전자를 인출하기 위한 그리드; 및
    상기 생성된 이온을 인출하기 위한 평판 형태의 인출 전극을 가지며,
    상기 인출 전극은 전극에 도달한 이온 중에서 이온의 일부를 직접 통과시키도록 하기 위해 구성되는 평균 자유 경로를 측정하는 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 발생원은:
    전자를 방출시키기 위한 전자원; 및
    방출된 전자를 인출하기 위한 평판 형태의 인출 전극을 가지며,
    상기 인출 전극은 전극에 도달한 이온 중에서 이온의 일부를 직접 통과시키도록 하기 위해 구성되는 평균 자유 경로를 측정하는 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 하전 입자는 이온이며,
    상기 발생원은:
    열전자를 방출하기 위한 필라멘트;
    내부에서 이온을 생성하도록 열전자를 인출하기 위한 실린더 형태의 그리드; 및
    그리드 내부에 있는 와이어 형태의 콜렉터를 가지며,
    상기 콜렉터의 길이는 축방향으로 그리드의 길이보다 더 짧은 평균 자유 경로를 측정하는 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 콜렉터의 길이는 축방향으로 상기 그리드의 길이의 절반인 평균 자유 경로를 측정하는 장치.
  8. 삭제
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 검출기는 검출기에 도달한 하전 입자 중에서 그 일부를 검출하고, 상기 하전 입자의 또 다른 일부를 직접 통과시키도록 구성된 검출기인 평균 자유 경로를 측정하는 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 구성된 검출기는 적어도 하나의 개구부를 가지며, 적어도 하나의 개구부를 갖는 상기 검출기는 메쉬(mesh) 형태, 슬릿(slit) 형태 또는 적어도 하나의 윈도우를 갖는 검출기인 평균 자유 경로를 측정하는 장치.
  11. 제 1 항에 있어서,
    제 1 및 제 2 비행거리를 비행한 하전 입자의 비행 영역 주위에 설치되며, 분위기 가스와 충돌하여 운동에너지를 잃은 하전 입자를 흡수하는 전극을 더 포함하는 평균 자유 경로를 측정하는 장치.
  12. 제 1 항에 있어서,
    검출기에 도달하는 하전 입자를 간헐적으로 만들기 위한 수단; 및
    상기 수단과 동기화된 락-인(lock-in)(변조 동기화 타입) 증폭기를 더 포함하며, 상기 락-인 증폭기는 검출된 제 1 및 제 2 하전 입자의 수로부터 잡음을 제거하는 평균 자유 경로를 측정하는 장치.
  13. 제 1 항에 있어서,
    분위기 가스에 존재하는 플라즈마는 하전 입자를 발생시키기 위한 발생원으로써 이용되는 평균 자유 경로를 측정하는 장치.
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 삭제
  18. 삭제
  19. 제 1 항에 따른 평균 자유 경로를 측정하는 장치를 포함하는 진공 용기로서,
    진공 용기에 플라즈마를 발생시키기 위한 수단을 더 포함하며, 상기 발생된 플라즈마는 발생원으로써 사용되는 진공 용기.
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