KR101584706B1 - 패러데이컵 어셈블리 - Google Patents

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KR101584706B1 KR1020140037553A KR20140037553A KR101584706B1 KR 101584706 B1 KR101584706 B1 KR 101584706B1 KR 1020140037553 A KR1020140037553 A KR 1020140037553A KR 20140037553 A KR20140037553 A KR 20140037553A KR 101584706 B1 KR101584706 B1 KR 101584706B1
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Abstract

본 발명은 패러데이컵 어셈블리에 관한 것이다. 본 발명의 패러데이컵 어셈블리는 입사되는 이온빔을 수집하는 패러데이컵, 및 패러데이컵 내부에 제공되고, 뿔 형태를 갖는 복수개의 수집 엘리먼트들을 포함하고, 수집 엘리먼트들 각각은 이온빔의 입사 방향에 가까울수록 단면적이 감소되도록 형성된다.

Description

패러데이컵 어셈블리{FARADAY CUP ASSEMBLY}
본 발명은 패러데이컵에 관한 것으로서, 특히 이온 주입에 의해 발생되는 이차 전자의 후방산란 및 이탈을 방지하여 정확한 전류 측정을 하는 패러데이컵 어셈블리에 관한 것이다.
이온 주입장치(ion implanter) 와 입자 가속기(particle accelerator) 등에서, 이온 빔의 전류를 측정하기 위한 기구로 패러데이컵이 주로 사용된다. 패러데이컵 어셈블리는 패러데이컵을 통해 이온빔을 수집하고, 전하 또는 전류를 측정함으로써 이온 빔의 입사량을 확인할 수 있다.
하지만, 패러데이컵으로 입사되는 이온빔은 패러데이컵 내의 매질과 충돌하고, 매질과의 충돌에 의해 이차 전자가 발생된다. 이때, 이차 전자는 이온빔의 입사 방향을 기준으로 많은 량이 후방 산란을 한다. 이와 같이 후방산란된 이차 전자들은 패러데이컵에서 탈출하여 실제 이온빔의 전류값보다 과다한 측정결과를 만든다. 결국, 기존의 패러데이컵 어셈블리는 패더레이컵으로 이온빔의 입사에 따른 전자들의 후방 산란으로 인해 정확한 전류량을 측정할 수 없는 문제점이 있었다.
본 발명의 목적은 이온 빔의 정확한 전류량을 측정할 수 있는 패러데이컵 어셈블리를 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 전자의 후방 산란을 방지할 수 있는 패러데이컵 어셈블리를 제공함에 있다.
본 발명에 따른 패러데이컵 어셈블리는 입사되는 이온빔을 수집하는 패러데이컵, 및 상기 패러데이컵 내부에 제공되고, 뿔 형태를 갖는 복수개의 수집 엘리먼트들을 포함하고, 상기 수집 엘리먼트들 각각은 상기 이온빔이 입사 방향에 가까울수록 단면적이 감소되도록 형성된다.
이 실시예에 있어서, 상기 수집 엘리먼트들은 상기 이온빔이 충돌하는 상기 패러데이컵의 뒷판에 결합된다.
이 실시예에 있어서, 상기 수집 엘리먼트들 각각은 원뿔 또는 다각뿔 중 하나의 형태를 갖는다.
이 실시예에 있어서, 상기 이온빔의 입사에 의해 발생된 전자들을 상기 이온빔의 입사면을 기준으로 원형 운동시키는 적어도 두 개의 마그넷들을 더 포함한다.
이 실시예에 있어서, 상기 적어도 두 개의 마그넷들이 상기 패러데이컵 외부의 양 측면에 위치한다.
이 실시예에 있어서, 상기 마그넷들은 서로 다른 극성을 갖는 자극(magnetic pole)들이 마주하는 형태로 배치된다.
이 실시예에 있어서, 상기 이온빔을 수집하기 위한 콜리메이터, 및 상기 콜리메이터와 상기 패러데이컵 사이에서 포텐셜 우물을 형성하는 바이어스 전극을 더 포함한다.
이 실시예에 있어서, 상기 바이어스 전극은 이온빔이 통과하는 홀을 갖고, 상기 바이어스 전극은 상기 홀 방향으로 기울어진 경사면을 갖고, 상기 바이어스 전극에 의해 형성된 전기장은 상기 이온빔을 포커싱하는 렌즈의 기능을 갖는다.
이 실시예에 있어서, 상기 패러데이컵 외부에 위치하고, 상기 패러데이컵 외부의 전하 유입을 차단하는 금속 실드, 및 상기 금속 실드와 상기 패러데이컵 사이에 위치한 절연체를 더 포함한다.
이 실시예에 있어서, 상기 금속 실드의 일부에 결합되고, 상기 금속 실드 내부로 유입되는 신호선을 보호하기 위한 금속 지지봉을 더 포함한다.
본 발명의 패러데이컵 어셈블리는 입사되는 이온빔을 수집하는 패러데이컵, 상기 패러데이컵 내부에 제공되고, 뿔 형태를 갖는 복수개의 수집 엘리먼트들, 상기 이온빔의 입사에 의해 발생된 전자들을 상기 이온빔의 입사면을 기준으로 원형 운동시키는 적어도 두 개의 마그넷들, 상기 이온빔을 수집하기 위한 콜리메이터, 상기 콜리메이터와 상기 패러데이컵 사이에서 포텐셜 우물을 형성하는 바이어스 전극, 상기 패러데이컵의 외부에 위치하고, 상기 패러데이컵 외부의 전하 유입을 차단하는 금속 실드, 및 상기 금속 실드와 상기 패러데이컵 사이에 위치한 절연체를 포함한다.
이 실시예에 있어서, 상기 수집 엘리먼트들 각각은 상기 이온빔의 입사 방향에 가까울수록 단면적이 감소되도록 형성된다.
이 실시예에 있어서, 상기 수집 엘리먼트들은 상기 이온빔이 충돌하는 상기 패러데이컵의 뒷판에 결합된다.
이 실시예에 있어서, 상기 수집 엘리먼트들 각각은 원뿔 또는 다각뿔 중 하나의 형태를 갖는다.
이 실시예에 있어서, 상기 마그넷들은 상기 절연체에 형성된 마그넷 홈들에 각각 위치한다.
이 실시예에 있어서, 상기 마그넷들은 서로 다른 극성을 갖는 자극들이 마주하는 형태로 배치된다.
이 실시예에 있어서, 상기 패러데이컵, 상기 콜리메이터, 및 상기 바이어스 전극 각각은 이온빔이 통과하는 홀을 가지며, 상기 홀 방향으로 기울어진 경사면을 갖고, 상기 바이어스 전극에 의해 형성된 전기장은 상기 패러데이컵 내부의 전자의 이탈을 방지하고, 상기 이온빔을 포커싱한다.
이 실시예에 있어서, 상기 금속 실드의 일부에 결합되고, 상기 금속 실드 내부로 유입되는 신호선을 보호하기 위한 금속 지지봉을 더 포함한다.
본 발명의 패러데이컵 어셈블리는 패러데이컵 내부에 전자를 내부로 구속할 수 있는 형태를 갖는 수집 엘리먼트를 포함함에 따라 전자의 후방 산란을 방지할 수 있다. 이를 통해, 본 발명의 패러데이컵 어셈블리는 이온 빔의 정확한 전류량을 측정할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 패러데이컵 어셈블리를 예시적으로 도시한 도면,
도 2는 도 1에 도시된 패러데이컵 어셈블리의 결합 단면을 예시적으로 도시한 도면,
도 3은 도 1에 도시된 패러데이컵의 단면을 예시적으로 도시한 도면,
도 4는 도 1에 도시된 수집 엘리먼트를 예시적으로 도시한 도면,
도 5는 도 4에 도시된 수집 엘리먼트에 이온빔이 입사되는 경우를 예시적으로 도시한 도면,
도 6은 도 4에 도시된 수집 엘리먼트를 중심으로 하는 수집 엘리먼트들을 예시적으로 도시한 도면,
도 7은 도 4에 도시된 수집 엘리먼트에서 이온빔과의 충돌에 따른 충돌 단면적의 변화를 예시적으로 도시한 도면,
도 8은 도 1에 도시된 마그넷들을 예시적으로 도시한 도면,
도 9는 도 8에 도시된 마그넷들을 사용하여 패러데이컵 내부로 자기장을 인가하는 동작을 예시적으로 도시한 도면,
도 10은 도 1에 도시된 절연체를 예시적으로 도시한 도면,
도 11은 도 1에 도시된 바이어스 전극을 예시적으로 도시한 도면,
도 12는 도 8의 바이어스 전극으로부터 형성된 전기장을 예시적으로 도시한 도면,
도 13은 도 1에 도시된 콜리메이터, 금속 실드, 및 금속 지지봉을 예시적으로 도시한 도면, 및
도 14는 도 13에 도시된 콜리메이터, 금속 실드, 및 금속 지지봉의 기능을 예시적으로 도시한 도면이다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 하기의 설명에서는 본 발명에 따른 동작을 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 모호하지 않도록 하기 위해 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.
본 발명의 패러데이컵 어셈블리는 이온빔의 입사에 따른 전자의 후방 산란을 방지함으로써 이온빔의 정확한 전류 측정을 제공한다.
도 1은 본 발명에 따른 패러데이컵 어셈블리를 예시적으로 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 패러데이컵 어셈블리(100)는 패러데이컵(111, 112), 수집 엘리먼트(120), 마그넷(131, 132), 절연체(140), 바이어스 전극(150), 콜리메이터(160), 금속 실드(170), 및 금속 지지봉(180)을 포함한다. 여기서, 패러데이컵 어셈블리(100)는 중심선(101)을 기준으로 결합될 수 있다.
패러데이컵(110)은 패러데이컵 본체(111)와 패러데이컵 뒷판(112)을 포함한다. 패러데이컵(110)의 내부로 이온빔의 전류 측정을 위해 이온빔이 입사된다.
수집 엘리먼트(120)는 패러데이컵 내부에 위치하고, 패러데이컵 뒷판(112)에 결합될 수 있다. 수집 엘리먼트(120)는 복수개의 뿔 형태일 수 있고, 수집 엘리먼트들 각각에서 뿔 형태의 표면은 이온빔의 입사 방향으로 위치한다.
마그넷들(131, 132)은 패러데이컵(110) 외부에 위치한 제 1 절연체(141)의 홈에 위치한다. 마그넷들(131, 132)은 패러데이컵(110) 내부의 전자를 회전시켜 패러데이컵(111, 112) 내부에 구속하는 기능을 갖는다.
절연체(140)는 패러데이컵(110) 외부에 위치하고, 금속 실드(171, 172) 내부에 위치한다. 절연체는 제 1 절연체(141)와 제 2 절연체(142)를 포함할 수 있다. 또한, 제 1 절연체(141)에는 마그넷들(131, 132)이 위치하는 홈이 존재한다. 제 2 절연체(142)는 금속 실드 뒷판(172)과 패러데이컵 뒷판(112) 사이에 위치할 수 있다.
바이어스 전극(150)은 콜리메이터(160)와 패러데이컵(110) 사이에 위치하고, 바이어스 전극(150)의 중심에는 이온빔을 통과시키는 홀이 위치한다.
콜리메이터(160)는 그의 중심부에 이온빔의 입사를 위한 홀을 포함하고 있으며, 홀을 통해 이온빔을 선택적으로 통과시킨다.
금속 실드(170)는 패러데이컵(110)의 가드 역할을 한다. 금속 실드(170)는 금속 실드 본체(171)와 금속 실드 뒷판(172)을 포함한다. 여기서, 금속 실드 본체(171)의 일측면에는 콜리메이터(160)가 결합되고, 반대 측면에는 금속 실드 뒷판(172)이 결합된다.
금속 지지봉(180)은 금속 실드 본체(171)의 측면에 결합되고, 내부에 위치한 공간을 통해 신호선이 금속 실드 본체(171) 내부로 연결된다. 금속 지지봉(180)은 바이어스 전극(150)과 패러데이컵(111, 112)에 연결되는 신호선의 가드 역할을 한다.
도 2는 도 1에 도시된 패러데이컵 어셈블리의 결합 단면을 예시적으로 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 패러데이컵 어셈블리(100)는 패러데이컵(110), 수집 엘리먼트(120), 절연체(140), 바이어스 전극(150), 콜리메이터(160), 금속 실드(170), 및 금속 지지봉(180)을 포함한다.
도 2에 도시된 패러데이컵 어셈블리(100)는 도 1에서 도시된 패러데이컵 어셈블리(100)의 구성 요소들을 중심선(101)을 기준으로 결합된 구조를 갖는다.
패러데이컵(110)은 절연체(140)의 내부에 위치한다. 패러데이컵(110)의 입구의 전단에 바이어스 전극(150)과 콜리메이터(160)가 순차적으로 위치한다. 패러데이컵(110)으로 콜리메이터(160)와 바이어스 전극(150)의 중심을 통해 이온빔이 입사된다.
수집 엘리먼트(120)은 패러데이컵(110) 내부에 위치하고 있으며, 이온빔의 입사에 따른 전자의 후방 산란의 확률을 감소시킨다.
절연체(140)는 금속 실드(170)와 패러데이컵(110) 사이에 위치한다. 제 1 절연체(141)는 내부에 금속 실드(170)를 통해 유입되는 신호선을 바이어스 전극(150)과 패러데이컵(110)으로 연결하기 위한 전선 통로(1411)가 위치한다. 전선 통로 돌출부의 일부는 바이어스 전극(150) 방향으로 연장되고, 나머지 일부는 패러데이컵(110) 방향으로 연장된다.
바이어스 전극(150)은 절연체(140)를 통해 고정될 수 있고, 콜리메이터(160)와 패러데이컵(110) 사이에 위치한다.
콜리메이터(160)가 이온빔의 입사 방향에 위치하고, 금속 실드 본체(171)에 결합된다.
금속 실드(170)는 패러데이컵(110)의 가드 역할을 한다. 금속 실드(170)의 측면에 금속 실드 본체(171)를 금속 지지봉(180)과 결합시키기 위한 돌출부(1711)가 형성될 수 있고, 돌출부(1711)의 중심에는 신호선을 유입하기 위한 홀이 위치한다.
금속 지지봉(180)은 돌출부(1711)를 통해 금속 실드(170)에 결합될 수 있다. 금속 지지봉(180)은 내부에 신호선을 위치시키기 위해 내부 공간이 비어있는 기둥의 형태를 갖는다.
패러데이컵(110) 내부로 입사되는 이온빔에 기인하는 전자(일예로, 2차 전자)가 패러데이컵(110) 후방산란(back scattering) 되어 외부로 방출될 수 있다. 이와 같이, 방출된 전자들이 패러데이컵(110) 내부로 수집되지 않으면, 전하 수집에서 (+)중하전입자(heavy ion)의 측정값이 과대 평가 된다. 즉, 전자(-)가 외부로 탈출함으로써, 중하전입자(+)의 성분이 더 많이 측정되는 현상이 발될 수 있다. 즉, 패러데이컵(110)은 이온빔의 입사에 따라 방출되는 전자로 인해 정확한 이온빔의 전류량을 측정할 수 없다.
본 발명에서 제안된 패러데이컵 어셈블리(100)는 패러데이컵(110) 내부에 수집 엘리먼트(120)을 삽입한다. 수집 엘리먼트(120)은 뿔(또는, 바늘, 쐐기 등)과 같은 형태로써, 외부로부터 입사되는 이온빔에 의해 전자를 패러데이컵(110) 내부로 구속시킨다. 이때, 수집 엘리먼트들은 이온빔의 입사 방향(또는, 패러데이컵(100)의 입구)에 가까울수록 점차 단면적이 감소하는 구조를 갖는다.
이를 통해, 패러데이컵(110) 외부로 방출되는 전자들의 양을 감소시킴에 따라서 이온빔의 전류량을 정확히 측정할 수 있다.
또한, 본 발명에서 제안된 패러데이컵 어셈블리(100)는 패러데이컵(110)의 외부의 측면에 마그넷들(131, 132)을 이용하여 패러데이컵(110) 내부에 자기장을 형성한다. 이를 통해, 패러데이컵(110) 내부에서 전자가 반대방향으로 산란(직진 운동)되지 않도록 형성된 자기장으로 전자를 패러데이컵(110) 내부에 구속시킨다. 이를 통해, 이온빔의 전류량 측정의 정확도를 더욱 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에서는 패러데이컵 어셈블리(100)는 바이어스 전극(150)을 통해 형성된 전기장으로 패러데이컵(100) 내부로부터 유출되는 전자를 구속하고, 콜리메이터(160) 부근에 위치한 전자(공간 전하)들을 밖으로 밀어낸다. 이를 통해서, 이온빔의 전류량 측정의 정확도를 향상시킬 수 있다.
마지막으로, 본 발명에서는 패러데이컵 어셈블리(100)의 외부에 금속 실드(170)와 금속 지지봉(180)를 통해 전파 노이즈, 진공 챔버를 통해 발생된 하전입자들, 전류량 측정과 관련되지 않은 외부 전하의 유입을 방지할 수 있다.
하기의 도면들을 통해 상술한 패러데이컵 어셈블리(100)에서 이온빔의 전류량 측정의 정확도를 향상시키기 위한 패러데이컵 어셈블리(100)의 상세 구조를 설명한다.
도 3은 도 1에 도시된 패러데이컵의 단면을 예시적으로 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 패러데이컵(110)은 패러데이컵 본체(111)와 패러데이컵 뒷판(112)을 포함한다. 여기서, 패러데이컵 본체(111)의 측면에는 신호선(10)의 연결을 위한 신호선 연결부(1111)를 포함한다.
패러데이컵 본체(111)의 입구는 내측을 향하여 돌출된 턱(1112)을 갖도록 구성되고, 입사된 중하전입자 및 전자(일예로, 2차 전자)의 이탈을 방지한다. 이를 통해, 패러데이컵(110)에서 이온빔(30)의 입사에 따른 수집의 정확도를 향상시킨다.
패러데이컵 본체(111)의 턱(1112)은 패러데이컵(110)의 중심선을 기준으로 패러데이컵(110)의 바깥쪽으로 일정 각도로 형성된다. 즉, 패더레이컵 본체(111)의 턱(1112)은 이온빔이 입사되는 부분을 중심으로 기울어진 형태를 갖는다. 이는 패러데이컵(110) 전단에 위치한 바이어스 전극(150)과 전위차를 이용하여 볼록한 전장을 만들기 위한 구조이다.
이때, 패러데이컵(110)의 외부에는 추가 절연 코팅이 되어 있으며, 예를 들어, 에나멜(enamel) 또는 에폭시(epoxy) 등을 이용하여 절연 코팅될 수 있다.
도 4는 도 1에 도시된 수집 엘리먼트를 예시적으로 도시한 도면이다.
도 4를 참조하면, 수집 엘리먼트(120)은 패러데이컵 뒷판(112)에 결합된다.
(a)에서, 수집 엘리먼트(120)은 패러데이컵(110)의 입구 부분을 향한 뿔 형태를 가질 수 있다. 패러데이컵(110) 내부로 입사된 이온빔(30)이 진행하면 할수록 협소한 공간으로 구속된다.
(b)에서, 하나의 수집 엘리먼트(120)의 단면은 원 형태를 가짐으로, 수집 엘리먼트(120)는 원뿔 형태를 가질 수 있다. 하지만, 이는 예시적으로 설명된 것으로 다른 다각뿔(일예로, 삼각뿔, 사각뿔, 오각뿔, 및 육각뿔 등)의 형태를 가질 수도 있다.
이를 통해, 이온빔(30)이 산란되더라도 이온빔(30)의 진행 방향으로 계속 진행할 확률이 높고, 이차 전자(2차 전자)들의 산란 방향도 이온빔(30)의 진행 방향으로 진행되는 확률이 증가한다. 즉, 전자들의 후방 산란 확률이 감소될 수 있다. 또한, 패러데이컵(110)의 내부로 진행할수록 수집 엘리먼트(120)의 면적이 증가함에 따라 이차 전자들이 패러데이컵(110) 내부에 수집될 확률이 증가한다.
예를 들면, 수집 엘리먼트(210)의 직경이 1mm이고, 패러데이컵(110)의 내부 직경이 14mm일 경우, 약 151개의 수집 엘리먼트들이 패러데이컵(110) 내부에 포함될 수 있다.
도 5는 도 4에 도시된 수집 엘리먼트에 이온빔이 입사되는 경우를 예시적으로 도시한 도면이다.
도 5를 참조하면, 수집 엘리먼트(120)는 중하전입자(31)로 구성된 이온빔(30)과 충돌하게 된다. 이온빔(30)과 충돌하는 수집 엘리먼트(120)는 뿔 형태 또는 쐐기 형태를 가짐으로, 충돌 지점(40)을 기준으로 산란되는 전자들은 대부분 전방향(중하전입자의 진행 방향(이온빔(30)의 진행 방향))으로 분포된다.
따라서, 후방 산란(back scattering)되는 전자(52)의 비율은 전방으로 산란되는 전자(51)에 비해 소량이다. 이를 통해, 후방 산란되는 전자(52)의 량을 감소시킬 수 있음으로 패러데이컵(110)의 입구 방향으로 탈출하려는 전자의 양은 극히 적다.
도 6은 도 4에 도시된 수집 엘리먼트를 중심으로 하는 수집 엘리먼트들을 예시적으로 도시한 도면이다.
도 6을 참조하면, 수집 엘리먼트(120)에서 충돌한 이온빔(30)에 의해 충돌 지점(42)을 중심으로 전자들이 산란된다.
이때, 산란되는 전자들은 수집 엘리먼트(120)의 측면에 위치한 다른 수집 엘리먼트(120)에 의해 수집되며, 이온빔의 방향으로 진행할수록(즉, 안쪽으로 진행할수록) 수집 엘리먼트(120)들의 간격은 좁아진다. 즉, 패러데이컵(110) 내부에는 복수의 수집 엘리먼트들(120)이 위치함에 따라 안쪽으로 진행할수록 산란되는 전자들의 활동 반경은 협소해지며, 따라서 수집될 확률도 증가한다.
이와 같이, 복수의 수집 엘리먼트들(120)은 이온빔(30)의 입사에 따른 전자의 후방 산란 확률을 더욱 감소시킬 수 있다.
도 7은 도 4에 도시된 수집 엘리먼트에서 이온빔과의 충돌에 따른 충돌 단면적의 변화를 예시적으로 도시한 도면이다.
도 7을 참조하면, 수집 엘리먼트(120)의 충돌 단면적은 패러데이컵(110) 내부 방향으로 점차 증가하는 형태를 갖는다.
(a)에서 수집 엘리먼트(120)를 이온빔(30)의 입사 방향에서 일정한 간격을 기준으로 충돌 단면적들을 구분하였다. 따라서, 패러데이컵(110)의 입구 부분에 가장 가까운 수집 엘리먼트(120)의 충돌 단면적(121)은 패러데이컵(110)의 바닥 부분에 가장 가까운 수집 엘리먼트(120)의 충돌 단면적(122)에 비해 크기가 매우 작은 것을 확인할 수 있다.
(b)에서, 수집 엘리먼트(120)의 충돌 단면적들을 막대 그래프 형태로 나타내었다. 패러데이컵(110) 내부 방향으로 깊이가 증가할수록 이온 수집을 위한 충돌 단면적도 점차 증가함을 확인할 수 있다.
이를 통해, 패러데이컵(110)의 내부로 진행할수록 입사 이온빔과 수집 엘리먼트(120)의 충돌 확률이 진행거리의 제곱에 비례하여 증가하며, 2차 전자가 발생되는 위치(즉, 입사이온과 수집 엘리먼트의 충돌지점)도 전자들의 활동 반경이 매우 좁은 위치가 대부분이므로 수집 효율을 상당히 증가시킬 수 있다.
도 8은 도 1에 도시된 마그넷들을 예시적으로 도시한 도면이다.
도 8을 참조하면, 마그넷들(131, 132)은 패러데이컵(110) 외부의 양 측면에 각각 위치한다. 마그넷들(131, 132)은 서로 다른 극성을 갖는 자극(magnetic pole)들이 마주하는 형태로 위치한다. 예를 들면, 제 1 마그넷(131)의 S극과 제 2 마그넷(132)의 N극이 마주하게 된다. 이와 달리, 제 1 마그넷(131)과 제 2 마그넷(132)의 극성은 서로 반대가 될 수도 있다. 또한, 마그넷들(131, 132)의 모서리는 둥근 형태로 처리하여 모서리 부근에 자기장이 집중되어 강해지는 것(edge effect)을 방지할 수 있다.
설명의 편의를 위하여, 마그넷들(131, 132)은 두 개를 기준으로 설명하지만, 두 개 이상을 포함하거나 다른 다양한 형태를 갖도록 구현될 수 있다.
도 9는 도 8에 도시된 마그넷들을 사용하여 패러데이컵 내부로 자기장을 인가하는 동작을 예시적으로 도시한 도면이다.
도 9를 참조하면, 마그넷들(131, 132)은 패러데이컵(110) 내부에 균일한 자기장(B)을 걸어준다. 이에 따라, 패러데이컵(110) 내부의 전자들은 자이로 모션(회전 운동)을 하도록 한다.
예를 들어, 1 메가일렉트론볼트(MeV)의 전자가 1 테슬라(T)의 자기장에 구속된 경우, 회전 반경은 약 3.2 mm로 계산될 수 있다. 또한, 1 MeV의 양성자가 1 T의 자기장에 구속된 경우 회전 반경은 약 145 mm로 계산될 수 있다.
따라서, 중하전입자의 경우 패러데이컵(110) 내부에서 직진 운동을 하고, 전자는 원형운동을 하게 된다.
또한, 고에너지의 입사입자가 매질과 충돌하여 전자에 전달해 줄 수 있는 최대 에너지는 하기의 수학식 1을 통해 계산될 수 있다.
Figure 112014030673312-pat00001
여기서,
Figure 112014030673312-pat00002
는 전자의 질량이고,
Figure 112014030673312-pat00003
는 입사입자의 질량이다. 또한,
Figure 112014030673312-pat00004
는 이차전자가 가질 수 있는 최대운동에너지이고,
Figure 112014030673312-pat00005
는 입사하전입자의 운동에너지이다.
예를 들어, 100 MeV의 양성자가 전자에 전달해 줄 수 있는 최대에너지는 0.127 MeV 정도이고, 일반 영구자석이 충분히 만들 수 있는 1000 G(가우스)의 자기장만으로도 패러데이컵(110) 내부에 충분히 구속이 가능하다.
하지만, 자기장이 없으면 전자를 구속하기 위하여 217 kV의 바이어스 전압이 필요한데, 절연파괴 및 스파크 문제로 인하여 작은 공간에 설치가 불가능하다.
도 10은 도 1에 도시된 절연체를 예시적으로 도시한 도면이다.
도 10을 참조하면, 절연체(140)는 내부에 패러데이컵(110)을 인입하고, 외부에는 금속 실드(171, 172)가 위치한다. 이때, 절연체(140) 내부에 금속 지지봉(180)을 통해 인입된 신호선이 위치하기 위한 전선 통로(1411)가 형성된다. 또한, 절연체(140)의 양 측면에는 마그넷들(131, 132)이 위치하기 위한 홈들(1412, 1413)이 형성되어 있다.
이러한, 절연체(140)는 절연 강도가 높으며, 가공이 쉬운 재질로 형성되어야 한다. 그리고, 절연체(140)는 약 100도의 열에도 변형되지 않아야 한다.
예를 들어, 절연체(140)는 폴리카보네이트(PC: Polycarbonate), 모노머캐스트(MC: Monomer Cast) 나일론, 테프론(PTFE: Polytetrafluoroethylene)과 같은 재질로 형성될 수 있다.
도 11은 도 1의 바이어스 전극을 예시적으로 도시한 도면이다.
도 11을 참조하면, 바이어스 전극(150)은 콜리메이터(160)와 패러데이컵(110) 사이에 위치하고, 이온빔의 입사를 위한 홀(151)이 존재한다. 즉, 바이어스 전극은 포텐셜 우물을 형성한다. 이때, 패러데이컵 내부의 전자의 입장에서는 포텐셜 장벽(potential barrier)을 형성한다.
이를 통해, 바이어스 전극(150)은 전기장을 형성하여 패러데이컵(110)으로부터 빠져나오는 전자들을 억제한다.
또한, 바이어스 전극(150)은 전기장을 형성하여, 콜리메이터(160) 부근에서 생성된 이차 전자들과 공간 전자들을 외부로 밀어낸다.
바이어스 전극(150)의 홀 부분 방향으로 양면이 기울어진 형태로 가공(152)된다.
도 12는 도 8의 바이어스 전극으로부터 형성된 전기장을 예시적으로 도시한 도면이다.
도 12를 참조하면, 콜리메이터(160), 바이어스 전극(150), 및 패러데이컵(110)이 순차적으로 위치한다.
전압 소스(310)를 통해 바이어스 전극(150)은 마이너스(-) 전극에 연결되고, 콜리메이터(160)는 그라운드(G) 된다. 또한, 패러데이컵(110)의 입구(1113)는 전류계(320) (혹은 일렉트로미터(electrometer)) 의 일단에 연결된다. 여기서, 전류계(320)의 다른 일단은 콜리메이터(160)와 접지단의 접점에 연결된다.
이를 통해, 바이어스 전극(150)을 중심으로 하는 포텐셜 장벽이 형성된다.
바이어스 전극(150)은 콜리메이터(160)와 전위차를 두어 중앙의 자유 전자 또는 콜리메이터(160)에서 생성된 이차 전자들의 패러데이컵(110) 내부로의 유입(일예로, 전자(61)의 유입)을 방지할 수 있다.
또한, 바이어스 전극(150)은 패러데이컵(110)으로부터 방출되는 전자(일예로, 53)를 패러데이컵(110) 내부로 되돌려 보낸다. 이때, 패러데이컵(110) 내부에는 자기장이 걸리게 되므로, 패러데이컵(110) 내부로부터 탈출하려는 방향으로의 속도 성분은 크지 않다. 따라서, 낮은 바이어스 전압만으로도 전자를 패러데이컵(110) 내부로 되돌려 보낼 수 있다.
한편, 입사되는 이온빔(30)의 중하전입자들은 전하량 대 질량비가 매우 작으므로 바이어스 전극(150)에 의해 생성된 전기장의 영향을 거의 받지 않고, 패러데이컵(110) 내부로 입사되어 수집된다.
또한, 바이어스 전극(150)의 홀 부분은 비스듬한 형태로 가공됨에 따라 중심부의 전기장 밀도가 크다. 따라서, 이온빔(30)의 입사 방향으로 볼록한 형태를 갖는다. 이를 통해, 바이어스 전극(150)은 입사되는 이온빔(30)을 포커싱(아인젤 렌즈(Einzel Lens))하는 기능을 추가로 가질 수 있다. 이를 통해, 바이어스 전극(150)에 의해 형성된 전기장은 약한 포커싱(weak focusing) 기능을 갖는다.
도 13은 도 1에 도시된 콜리메이터, 금속 실드, 및 금속 지지봉을 예시적으로 도시한 도면이다.
도 13을 참조하면, 콜리메이터(160), 금속 실드(170), 및 금속 지지봉(180)이 도시된다.
콜리메이터(160)는 패러데이컵 어셈블리(100)의 전면부에 위치한다. 또한, 콜리메이터(160)는 전도성이 좋아야하고, 견고하며 열 전달률이 좋아야 한다. 예를 들면, 콜리메이터(160)는 스테인레스(SUS)와 구리(Cu)와 같은 금속으로 형성될 수 있다.
콜리메이터(160)는 중앙의 홀을 통해서 이온빔(30)을 선택적으로 통과시킬 수 있고, 홀의 크기는 다양하게 형성할 수 있다.
또한, 콜리메이터(160)는 교체를 위한 돌출부들(1601, 1602, 1603, 1604)을 포함한다. 이때, 나사들(161, 162, 163, 164) 각각이 돌출부들(1601, 1602, 1603, 1604)에 각각으로 인입되어 금속 실드 본체(171)와 콜리메이터(160)를 결합시킨다.
금속 실드(170)는 전도성을 가지고 있으며, 열전달률이 좋아야 한다. 예를 들면, 금속 실드(170)는 스테인레스(SUS)와 같은 금속으로 형성될 수 있다.
금속 실드 본체(171)는 패러데이컵(110) 내부로 유입되는 전자(자유 전자 또는 공간 자유 전하)를 차단하는 기능, 즉 가드 기능을 갖는다. 또한, 다른 장치들에 의한 노이즈를 차단하는 기능을 갖는다. 한편, 금속 실드 본체(171)는 콜리메이터(160)와의 연결을 위해, 콜리메이터(160)와의 접합부에 나사체결홈들(1712, 1713, 1714, 1715)이 형성된다.
금속 실드 뒷판(172)은 금속 실드 본체(171)에 연결된다. 금속 실드 뒷판(172)은 안쪽이 절연물질로 구성되며, 패러데이컵(110)과는 절연된다. 금속 실드 뒷판(172)은 전자(진공 챔버에 부딪혀 튀어나온 전자, 또는 공간 자유 전자) 또는 이온들이 패러데이컵(110)에 유입되는 차단하는 기능을 갖는다.
금속 지지봉(180)은 견고한 전도성 금속으로 형성되어야 한다. 금속 지지봉(180)은 콜리메이터(160)에서 누적되는 열을 발산시키기 위해 열 전도성이 좋은 금속으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 금속 지지봉(180)는 스테인레스(SUS)와 같은 금속으로 형성될 수 있다.
한편, 콜리메이터(160), 금속 실드(170), 금속 지지봉(180)은 모두 접지로 연결된다.
도 14는 도 13에 도시된 콜리메이터, 금속 실드, 및 금속 지지봉의 기능을 예시적으로 도시한 도면이다.
도 14를 참조하면, 콜리메이터(160)는 이온빔의 입사에 의해 컵내부로 유입되는 이온빔을 제외한 나머지 이온빔이 충돌(410)한다. 이를 통해, 콜리메이터(160)에서는 열이 발생한다. 콜리메이터(160)에서 발생된 열은 금속 실드(170)와 금속 지지봉(180)을 통해 이동(411)할 수 있도록 구성된다.
금속 실드(170)는 패러데이컵 어셈블리(100)가 내부에 위치하는 진공 챔버의 벽(400)에 부딪힌 이온빔에 의해 발생된 전자들이 패러데이컵(110)으로 유입되는 것을 방지(420)할 수 있다.
금속 지지봉(180)은 패러데이컵(110)에 연결되는 신호선(10)과 바이어스 전극(150)으로 연결되는 전선(20)에 대해 이온빔과의 충돌(430)을 방지하는 가드 기능을 갖는다. 이를 통해, 금속 지지봉(180)은 이온빔에 직접 노출된 신호선(10)으로 인해 발생될 수 있는 노이즈를 방지할 수 있다.
또한, 금속 지지봉(180)은 콜리메이터(160)에 의해 발생된 열이 발산하기 위한 통로의 기능을 갖는다. 금속 지지봉(180)은 그라운드를 통해 연결될 수 있다.
이에 본 발명에서 제안된 구조를 갖는 패러데이컵 어셈블리(100)는 이온빔이 표적 매질과의 충돌을 통해 이차 전지가 발생하여 패러데이컵(110) 외부로의 후방 산란을 감소시킬 수 있다. 이를 통해, 후방 산란으로 인해 이온빔보다 과다한 전류량의 측정을 방지함으로써, 패러데이컵 어셈블리(100)는 이온빔의 전류량을 정확히 측정할 수 있다.
따라서, 본 발명에서 제안된 패러데이컵 어셈블리(100)는 일예로, 이온 주입기(ion implanter) 또는 입자 가속기 등에서 이온빔의 전류 측정에 이용될 수 있다.
한편, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 상술한 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 발명의 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
100: 패러데이컵 어셈블리 110: 패러데이컵
111: 패러데이컵 본체 112: 패러데이컵 뒷판
120: 수집 엘리먼트 131, 132: 마그넷들
140: 절연체 150: 바이어스 전극
160: 콜리메이터 170: 금속 실드
171: 금속 실드 본체 172: 금속 실드 뒷판
180: 금속 지지봉

Claims (18)

  1. 삭제
  2. 입사되는 이온빔을 수집하는 패러데이컵;
    상기 패러데이컵 내부에 제공되고, 원뿔 형태를 갖는 복수개의 수집 엘리먼트들;
    상기 이온빔의 입사에 의해 발생된 전자들을 상기 이온빔의 입사면을 기준으로 상기 패러데이컵 내부에서 구속되도록 원형 운동시키는 적어도 두 개의 마그넷들;
    상기 이온빔을 수집하기 위한 콜리메이터;
    상기 콜리메이터와 상기 패러데이컵 사이에 위치하고, 포텐셜 우물을 형성하는 바이어스 전극; 및
    상기 패러데이컵 외부에 위치하고, 상기 패러데이컵 외부의 전하 유입을 차단하며, 측면에 신호선 유입을 위한 홀이 위치한 돌출부가 형성되는 금속 실드; 및
    상기 돌출부에 결합되고, 상기 금속 실드 내부의 상기 패러데이컵으로 연결되는 신호선과 상기 바이어스 전극으로 연결되는 전선을 보호하고, 상기 콜리메이터에 의해 발생된 열이 발산하기 위한 통로의 기능을 갖는 금속 지지봉을 포함하고,
    상기 수집 엘리먼트들 각각은 상기 이온빔의 입사 방향에 가까울수록 단면적이 감소되도록 형성되고, 상기 수집 엘리먼트들의 원형 단면은 상기 이온빔이 충돌하는 상기 패러데이컵의 뒷판에 결합되고, 상기 바이어스 전극은 상기 포텐셜 우물의 형성을 통해 상기 콜리메이터에서 생성된 이차 전자의 패러데이컵 내부로의 유입을 방지하고, 상기 패러데이컵 내부로부터 방출되는 전자를 상기 패러데이컵 내부로 되돌려보내는 패러데이컵 어셈블리.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 적어도 두 개의 마그넷들이 상기 패러데이컵 외부의 양 측면에 위치하는 패러데이컵 어셈블리.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 마그넷들은 서로 다른 극성을 갖는 자극들이 마주하는 형태로 배치되는 패러데이컵 어셈블리.
  7. 삭제
  8. 제 2 항에 있어서,
    상기 바이어스 전극은 이온빔이 통과하는 홀을 갖고, 상기 패러데이컵 입구, 상기 콜리메이터의 홀 부분은 상기 홀 방향으로 단면적이 감소되도록 기울어진 경사면을 갖고, 상기 바이어스 전극의 홀 부분은 양면에 각각 상기 홀 방향으로 단면적이 감소되도록 기울어진 경사면들을 갖고,
    상기 바이어스 전극에 의해 상기 이온빔의 입사방향으로 볼록한 형태를 갖도록 형성된 전기장은 상기 이온빔을 포커싱하는 렌즈의 기능을 갖는 패러데이컵 어셈블리.
  9. 제 2 항에 있어서,
    상기 금속 실드와 상기 패러데이컵 사이에 위치한 절연체를 더 포함하는 패러데이컵 어셈블리.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 입사되는 이온빔을 수집하는 패러데이컵;
    상기 패러데이컵 내부에 제공되고, 원뿔 형태를 갖는 복수개의 수집 엘리먼트들;
    상기 이온빔의 입사에 의해 발생된 전자들을 상기 이온빔의 입사면을 기준으로 상기 패러데이컵 내부에서 구속되도록 원형 운동시키는 적어도 두 개의 마그넷들;
    상기 이온빔을 수집하기 위한 콜리메이터;
    상기 콜리메이터와 상기 패러데이컵 사이에서 포텐셜 우물을 형성하는 바이어스 전극;
    상기 패러데이컵의 외부에 위치하고, 상기 패러데이컵 외부의 전하 유입을 차단하며, 측면에 신호선 유입을 위한 홀이 위치한 돌출부가 형성되는 금속 실드;
    상기 돌출부에 결합되고, 상기 금속 실드 내부의 상기 패러데이컵으로 연결되는 신호선과 상기 바이어스 전극으로 연결되는 전선을 보호하고, 상기 콜리메이터에 의해 발생된 열이 발산하기 위한 통로의 기능을 갖는 금속 지지봉; 및
    상기 금속 실드와 상기 패러데이컵 사이에 위치한 절연체를 포함하고,
    상기 수집 엘리먼트들 각각은 상기 이온빔이 입사 방향에 가까울수록 단면적이 감소되도록 형성되고, 상기 수집 엘리먼트들의 원형 단면은 상기 이온빔이 충돌하는 상기 패러데이컵의 뒷판에 결합되고, 상기 바이어스 전극은 상기 포텐셜 우물의 형성을 통해 상기 콜리메이터에서 생성된 이차 전자의 패러데이컵 내부로의 유입을 방지하고, 상기 패러데이컵 내부로부터 방출되는 전자를 상기 패러데이컵 내부로 되돌려보내는 패러데이컵 어셈블리.
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 제 12 항에 있어서,
    상기 마그넷들은 상기 절연체에 형성된 마그넷 홈들에 각각 위치하는 패러데이컵 어셈블리.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 마그넷들은 서로 다른 극성을 갖는 자극들이 마주하는 형태로 배치되는 패러데이컵 어셈블리.
  17. 제 12 항에 있어서,
    상기 패러데이컵 입구, 상기 콜리메이터, 및 상기 바이어스 전극 각각은 이온빔이 통과하는 홀을 가지며, 상기 패러데이컵 입구와 상기 콜리메이터의 홀 부분은 상기 홀 방향으로 단면적이 감소되도록 기울어진 경사면을 갖고, 상기 바이어스 전극의 홀 부분은 양면에 각각 상기 홀 방향으로 단면적이 감소되도록 기울어진 경사면들을 갖고,
    상기 바이어스 전극에 의해 상기 이온빔의 입사 방향으로 볼록한 형태를 갖도록 형성된 전기장은 상기 이온빔을 포커싱하는 패러데이컵 어셈블리.
  18. 삭제
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