KR101493215B1 - 이온 및 전자 빔 전류 측정을 위한 패러데이 컵 - Google Patents

Abstract

본 발명은 기계적 구동부가 없는 이온 및 전자 빔 전류 측정을 위한 패러데이 컵으로서, 상기 패러데이 컵은 중앙에 빔을 통과시킬 수 있는 내경을 갖는 관통부를 구비하고, 상기 관통부는 격벽을 통해 컵의 내부공간과 분리되며, 상기 패러데이 컵의 상면에는 휘어진 빔이 입사되는 입구를 구비하는 상면이 개방된 이중 원통형 구조를 갖는 것을 특징으로 하고, 상기 패러데이 컵의 상부에는 전류 측정 시 빔이 상기 입구를 통해 컵 내부로 유도될 수 있도록 유도하는 빔 디플렉터를 구비하는 것을 특징으로 한다.

Description

이온 및 전자 빔 전류 측정을 위한 패러데이 컵 {Faraday cup for measuring ion or electron beam current}

본 발명은 이온 및 전자 빔의 전류를 측정하기 위한 패러데이 컵(Faraday Cup) 어셈블리에 관한 것으로, 컵 중앙에 관통부를 구비해 평상시에는 관통부를 통해 이온 및 전자 빔을 통과시키고, 전류 측정시에는 기존의 기계적 구동부 대신에 디플렉터를 이용해 빔을 관통부와 격벽으로 분리된 컵의 입구로 유도해 전류를 측정함으로써, 진공 챔버 내의 기계적 장치 없이 이온 또는 전자 빔의 전류를 측정할 수 있는 패러데이 컵 어셈블리 및 상기 어셈블리를 이용한 전류 측정 방법에 관한 것이다.

이온 빔은 전기적으로 중성인 원자에서 전자를 분리한 후 전기장을 통해 가속시킨 이온 흐름의 덩어리로, 주로 정밀 분석장치(PIXE(Particle-induced X-ray emission), RBS(Rutherford Back Scattering), ERD-TOF(Elastic Recoil Detection??Time Of Flight) 등)나 재료의 가공(반도체 공정에서의 식각이나 패터닝), 도핑(이온 주입(Ion implantation)을 이용한 반도체 재료의 도핑) 등에 주로 사용되고, 전자 빔은 전자 흐름의 덩어리로, 전자 현미경과 같은 분석장치나, 반도체 패터닝(E-beam Lithography) 등에 주로 사용된다.

이런 이온 혹은 전자 빔은 도즈 컨트롤 등을 위해 전류를 측정할 필요가 있는데, 이때 가장 일반적으로 사용되는 것이 패러데이 컵(Faraday Cup)으로, 상면에 개구가 있고 측면과 하단은 폐쇄된 통상적인 컵 형태를 가지며, 이온 혹은 전자가 상기 패러데이 컵에 주입되면 그로 인해 축전된 전류량을 측정해 빔의 전류량을 측정하는 장치이다.

도 1은 기존의 패러데이 컵(1)을 이용한 이온 빔 전류측정 장치를 나타내고 있다. 빔 생성부(2)에서 조사되는 빔은 평소에는 기판이나 시료 등 빔을 필요로 하는 곳에 조사되는데, 도 1의 경우에는 전자빔을 시료 관찰에 사용하는 전자 현미경 시스템을 도시하고 있다. 이때 전류 측정이 필요한 경우에는 컵 구동부(3)를 이용해 빔의 경로상에 벗어나 있던 패러데이 컵(1)을 이동시켜 빔을 상기 패러데이 컵(1) 내부로 유도한 후 전류 측정 수단을 통해 빔의 전류량을 측정하게 된다.

하지만, 전류 측정을 위해 기존의 패러데이 컵은 빔의 경로상과 그 밖으로 기계적 움직임을 반복하게 되고 이에 따른 마찰에 의한 마모, 파티클 발생 등으로 인해 고장이 발생될 수 있다는 문제점이 있다. 또한, 이온 및 전자 빔은 모두 매우 고진공(mTorr 이하 범위) 챔버 내에서 이용되기 때문에, 이런 기계적인 고장이 발생할 경우 매우 복잡한 보수를 거쳐야 하며, 패러데이 컵에 연결되는 전류 측정용 배선 역시 이런 반복적 움직임으로 인해 피로가 발생, 단선이 자주 발생된다는 문제점이 있다. 상기 파티클 발생이나, 기계적 움직임 역시 매우 고진공 상태의 챔버의 진공도에도 악영향을 줄 수도 있다.

대한민국 공개특허공보 10-2005-0106712는 이온 주입 장치에 사용되는 패러데이 컵에 관한 발명으로, 공압 실린더와 솔레노이드 밸브, 링크 기구를 이용하여 패러데이 컵을 구동하는 특징을 가진다. 특히, 충격을 완화하기 위한 충격 흡수기(shock absorber)를 이용하고 정밀한 움직임을 위해 서보모터와 서보 제어부를 통해 컵 조립체의 구동 시 발생하는 진동이나 정밀도를 개선하는 장점을 갖는다. 하지만, 위 발명은 패러데이 컵의 기계적인 움직임을 완벽하게 배제하진 않았기 때문에 고장의 가능성이 여전히 존재한다는 문제점을 가지며 공압 장치의 파손이나 릭(Leak) 발생시 진공이 깨지는 문제점이 발생할 수도 있다.

일본 공개특허공보 특개2001-216934는 이온 분석 장치에 사용되는 패러데이 컵에 관한 발명으로, 외부 조작 기구와 스텝 모터를 이용하여 패러데이 컵을 구동하는 특징을 가진다. 스텝 모터를 통해 패러데이 컵이 특정 위치에만 있도록 하기 때문에 위치 결정이 쉬우며 외부 조작 기구의 이용으로 신뢰성이 높다는 장점을 갖지만, 역시 기계적인 움직임으로 인해 고장 가능성이 있으며, 분석할 이온이 상기 기계적 구동부에 증착되는 문제가 발생할 수 있다.

일본 공개특허공보 특개평6-243815는 전자빔을 이용하는 전자현미경(Scanning Electron Microscope)에 사용되는 패러데이 컵에 관한 발명으로, 패러데이 컵의 기계적인 움직임이 필요 없도록 컵의 입구 및 바닥부에 차폐수단을 갖는 것을 특징으로 한다. 이를 통해 전류측정이 필요 없을 때에는 컵의 입구 및 바닥부 차폐수단을 열어 전자빔이 컵을 통과해 시료에 조사되도록 하고, 전류측정 시에는 패러데이 컵 바닥의 차폐수단을 닫아 빔을 차단하고 패러데이 컵에 담긴 전하의 전류를 측정하는 것을 특징으로 한다. 이 발명은 컵 자체의 움직임을 막음으로써, 기계적 고장의 가능성이 작다는 장점이 있으나, 상기 차폐수단 역시 기계적 구동수단에 의해 움직이기 때문에, 차폐수단 구동부에서 고장이 발생할 수 있다는 단점이 있으며, 측정되어야 할 빔의 전류량이 상기 차폐수단을 통해 누설될 수 있다는 단점이 있다.

(선행문헌1) 공개특허공보 10-2005-0106712 (선행문헌2) 일본 공개특허공보 특개2001-216934 (선행문헌3) 일본 공개특허공보 특개평6-243815

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 패러데이 컵의 중앙에 빔을 통과시킬 수 있는 관통부를 구비하고, 상기 관통부는 격벽을 통해 컵과 분리되며, 컵의 상부는 개방된 이중 원통형 구조의 패러데이 컵과 상기 컵의 상부에 빔 디플렉터를 구비해, 평상시에는 상기 관통부를 통해 빔을 통과시키고, 전류 측정 시에는 상기 디플렉터로 빔을 컵 상부의 입구로 유도해, 기계적 구동에 의한 마찰, 마모 및 단선을 방지하여 내구성이 높고, 빠르게 전류를 측정할 수 있는 패러데이 컵 어셈블리 및 그를 이용한 전류 측정을 개시하고자 한다.

상기 과제들을 달성하기 위해 본 발명은 패러데이 컵의 중앙에 빔을 통과시킬 수 있는 내경을 갖는 관통부를 구비하고, 상기 관통부는 격벽을 통해 컵의 내부공간과 분리되며, 상기 패러데이 컵의 상면에는 휘어진 빔이 입사되는 입구를 구비하는 상면이 개방된 이중 원통형 구조를 갖는 것을 특징으로 하고, 상기 패러데이 컵의 상부에는 전류 측정 시 빔이 상기 입구를 통해 컵 내부로 유도될 수 있도록 유도하는 빔 디플렉터를 구비하는 것을 특징으로 하는 패러데이 컵 어셈블리를 개시하고 있다.

또한, 상기 빔 디플렉터는 2개 이상의 전극판으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 빔 디플렉터에 고주파 전압을 인가해 빔의 경로를 상기 관통부와 상기 입구에 교번적으로 유도함으로써 실시간으로 빔의 전류를 측정하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 상기 패러데이 컵 어셈블리를 이용한 전자 현미경을 개시하고 있다.

본 발명은 상기 패러데이 컵 어셈블리를 이용한 이온 주입 장치를 개시하고 있다,

본 발명은 상기 패러데이 컵 어셈블리를 이용한 전자빔 모니터링 시스템을 개시하고 있다.

본 발명은 상기 패러데이 컵 어셈블리를 이용한 이온빔 모니터링 시스템을 개시하고 있다.

상기 과제들을 달성하기 위해 본 발명은 상기 패러데이 컵 어셈블리를 이용한 이온 및 전자 빔 전류 측정 방법으로서, 상기 빔 디플렉터를 이용해 빔의 경로를 상기 컵의 입구로 유도하는 단계, 컵에 포획된 전하의 전류를 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 기계적 구동부가 필요없는 이온 및 전자 빔 전류 측정 방법을 개시하고 있다.

또한, 상기 빔 디플렉터에 고주파 전압을 인가해 빔의 경로를 관통부와 입구에 교번적으로 유도함으로써 실시간으로 빔의 전류를 측정하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 패러데이 컵 어셈블리는 단순히 빔을 이동시켜 전류를 측정하기 때문에 기존의 방식에 비해 기계적 구동에 의한 마모 및 단선을 방지하고 내구성을 높인다. 또한, 구동시 발생하는 소음 방지 및 안정적인 전류 측정과 빔 중심축의 최소한 이동으로 측정이 가능하다. 또한, 빔 디플렉터에 펄스 전압을 인가하는 경우에는 빔의 실시간 전류 모니터링이 가능하다.

도 1은 종래의 패러데이 컵을 이용한 이온 주입 장치를 개략적으로 도시한 도면
도 2는 본 발명에 따른 이온 및 전자 빔 전류 측정을 위한 패러데이 컵의 구조를 개략적으로 도시한다.
도 3은 본 발명에 따른 빔 디플렉터의 구조 및 빔의 굴절을 보여주고 있다.
도 4는 본 발명의 이온 및 전자 빔 전류 측정을 위한 패러데이 컵을 상부에서 바라본 구조를 개략적으로 도시한다.
도 5A 내지 5C는 본 발명의 전류 측정용 패러데이 컵을 이용한 이온 및 전자빔 전류 측정 방법을 도시하고 있다.

이하, 본 발명의 기술적 사상을 첨부된 도면을 사용하여 더욱 구체적으로 설명한다.

도 2는 본 발명의 이온 및 전자 빔 전류 측정을 위한 패러데이 컵(100)의 구조를 개략적으로 도시한다.

본 발명에 의한 패러데이 컵(100)은 중앙에 빔(B)을 통과시킬 수 있는 내경을 갖는 관통부(110)를 구비한다. 상기 내경은 사용하는 장비에 따라 틀리며, 보통 빔(B)의 어라인먼트 등의 이유로 빔(B)이 이동하였을 경우에도 패러데이 컵(100)에 차단되는 일이 없을 정도의 내경이면 충분하다.

상기 관통부(110)는 격벽(120)에 의해 패러데이 컵(100)의 내부공간과 분리된다. 패러데이 컵(100)의 상면에는 컵의 입구(130)가 개방되어 있으며, 측면 및 하면은 빔(B)이 입사했을 경우 빔 포획을 위해 폐쇄된 구조를 갖는다. 따라서, 본 발명의 패러데이 컵(100)은 전체적인 형태에서 이중 원통 구조를 갖는다.

상기 빔(B)은 빔 생성부(200)에서 공급되며, 상기 빔 생성부는 통상적인 이온 혹인 전자빔 생성 기술을 이용한다.

상기 패러데이 컵(100)의 상부에는 빔 디플렉터(300)을 구비한다. 이온 및 전자 빔의 장비의 이용 목적에 따라 사용될 때는 상기 빔(B)은 관통부(110)를 통해 통과되어 기판 혹은 시편에 조사되지만, 빔(B)의 전류를 측정할 때에는 상기 디플렉터(300)을 통해 빔을 굴절시켜 입구(130)를 통해 패러데이 컵(100)으로 빔(B)을 유도한다.

도 3은 본 발명에 사용할 수 있는 빔 디플렉터(300)의 구조를 보여주고 있다.

일반적으로 빔 디플렉터(300)의 구조는 두 개 이상의 실린더형 전극 판으로 구성되어 있다. 각 전극에 전압을 인가함으로써 전극판 사이에 전기장을 형성하여 전자빔(혹은 이온빔)의 운동을 제어한다. 이때, 본 발명의 실시예에서 제시되는 전자 현미경에서 사용되는 빔 디플렉터는 두 개의 전극으로 구성되고, 두 개의 전극의 전압을 조절하여 전위분포를 할 수 있으며, 이를 통하여 이온빔의 굴절을 조절할 수 있다.

도 4는 본 발명의 이온 및 전자 빔 전류 측정을 위한 패러데이 컵(100)을 상부에서 바라본 구조를 개략적으로 도시한다.

또한, 빔 디플렉터(300)에 고주파 전압을 인가하면 주파수에 의존하는 펄스빔을 생성하는 것도 가능하다. 상기 펄스빔을 이용할 경우 빔(B)이 주기적으로 관통부(110)와 패러데이 컵(100)의 입구(120)로 유도되기 때문에 패러데이 컵(100)을 통해 전류를 실시간으로 모니터링하면서 빔(B)을 이용하는 것이 가능해진다.

도 4는 본 발명의 이온 및 전자 빔 전류 측정을 위한 패러데이 컵(100)을 상부에서 바라본 구조를 개략적으로 도시한다.

패러데이 컵(100)은 상기 도 2에서 설명했듯이 이중 원통 구조를 가지며, 상부에서 봤을 때 관통부(110)를 형성하는 작은 원형과 그 주위를 둘러싼 격벽(120), 격벽의 가장자리부터 개구된 입구(130)가 동심원 형태로 구비되어 있다. 패러데이 컵(100)의 외주면을 형성하는 큰 원형의 동심원 형태를 볼 수 있으며, 관통부(110)를 상부에서 봤을 때의 크기보다 크고 패러데이 컵(100)의 외주면 보다 작은 띠 모양의 입구(130)를 통해 이중 원통형 구조를 갖는다.

본 발명의 패러데이 컵 어셈블리는 전자빔을 이용하는 대표적인 분석 장비인 전자 현미경, 이온빔을 응용한 대표적인 반도체 공정 장비인 이온 주입 장치 등에 사용할 수 있으며, 상기 장비 외에도, 이온빔 및 전자빔을 이용하는 모든 장비에 빔 전류 측정 및 모니터링에 사용될 수 있다.

도 5는 본 발명의 전류 측정용 패러데이 컵(100)을 이용한 이온 및 전자빔 전류 측정 방법을 도시하고 있다.

도 5A와 같이 평상시의 빔(B)은 패러데이 컵(100)의 관통부(110)를 통과해 시료에 조사된다. 빔(B)의 전류 측정이 필요한 경우에는 도 5B와 같이 빔 디플렉터(300)에 전압을 인가해 빔(B)의 경로는 관통부(110)에서 패러데이 컵(100)의 입구(130)로 유도하게 된다. 빔(B)의 굴절 정도가 최소가 되도록 계산된 전압을 빔 디플렉터(300) 인가하는 것이 바람직하다. 이와 같이 빔(B)이 패러데이 컵(100)으로 유도되면 전류 측정장치(미도시)를 통해 전류를 측정하게 된다. 상기 전류 측정장치는 미세전류 측정 장치를 이용하며, 필요한 경우에는 전류 증폭기를 이용할 수 있다. 빔 디플렉터(300)에 고주파 전압을 인가하는 경우가 도 5C에 도시되어 있다. 빔 디플렉터(300)에 고주파 전압을 인가하면 주파수에 의존하는 펄스빔을 생성되어, 빔(B)이 주기적으로 관통부(110)와 패러데이 컵(100)의 입구(120)로 통과하기 때문에 전류의 실시간 모니터링이 가능해진다.

한편, 본 발명의 상세한 설명에서의 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

B 빔
1 패러데이 컵 2 빔 생성부 3 컵 구동부
100 패러데이 컵
110 관통부 120 격벽 130 입구
200 빔 생성부
300 디플렉터
310 전극

Claims (9)

1. 이온 및 전자 빔 전류 측정을 위한 패러데이 컵에 관한 것으로,
   상기 패러데이 컵은 중앙에 빔을 통과시킬 수 있는 관통부를 구비하고,
   상기 패러데이 컵의 상면에는 휘어진 빔이 입사되는 입구를 구비하는 상면이 개방된 이중 원통형 구조를 갖는 것을 특징으로 하고,
   상기 패러데이 컵의 상부에는 전류 측정 시 빔이 상기 입구를 통해 컵 내부로 유도될 수 있도록 유도하는 빔 디플렉터를 구비하며,
   상기 빔 디플렉터에 고주파 전압을 인가해 주파수에 의존하는 펄스빔을 생성하여 상기 펄스빔의 경로를 상기 관통부와 상기 입구에 교번적으로 유도함으로써 실시간으로 빔의 전류를 측정하면서 빔을 이용하는 것을 특징으로 하는 패러데이 컵 어셈블리.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 빔 디플렉터는 2개 이상의 전극판으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 패러데이 컵 어셈블리.
   
3. 삭제
4. 제1항의 패러데이 컵 어셈블리를 포함한 전자 현미경.
   
5. 제1항의 패러데이 컵 어셈블리를 포함한 이온 주입 장치.
   
6. 제1항의 패러데이 컵 어셈블리를 포함한 전자빔 모니터링 시스템.
   
7. 제1항의 패러데이 컵 어셈블리를 포함한 이온빔 모니터링 시스템.
   
8. 제1항의 패러데이 컵 어셈블리를 이용한 이온 및 전자 빔 전류 측정 방법으로서,
   상기 빔 디플렉터를 이용해 빔의 경로를 상기 컵의 입구로 유도하는 단계;
   컵에 포획된 전하의 전류를 측정하는 단계;
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 이온 및 전자 빔 전류 측정 방법.
   
9. 제8항에 있어서,
   상기 빔 디플렉터에 고주파 전압을 인가해 빔의 경로를 관통부와 입구에 교번적으로 유도함으로써 실시간으로 빔의 전류를 측정하는 것을 특징으로 하는 이온 및 전자 빔 전류 측정 방법.

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