KR102367377B1 - Ion beam source with improved anode cooling capability - Google Patents

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Abstract

An objective of the present invention is to provide an ion beam generation device capable of continuously generating a uniform ion beam without thermal deformation during use of the ion beam generation device, and facilitating maintenance of an anode. According to the objective, the present invention, in a linear ion beam generation device, provides the ion beam generation device for which a thermal conduction plate made of a material having excellent thermal conductivity is disposed to allow an anode separation plate facilitating detachment of the anode to be configured almost identically to a shape of the anode and disposed on an upper surface of the anode, and prevent thermal deformation of the anode separation plate between the anode separation plate and the upper surface of the anode. The ion beam generation device comprises: an anode; a thermal conduction plate; and an anode separation plate.

Description

애노드 냉각 기능이 개선된 이온 빔 발생장치{Ion beam source with improved anode cooling capability}Ion beam source with improved anode cooling capability

본 발명은 이온 빔 발생장치에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는, 이온 빔 발생장치의 애노드 구성에 관한 것이다.The present invention relates to an ion beam generator, and more particularly, to an anode configuration of the ion beam generator.

선형 이온 빔 발생장치(linear ion beam source)의 애노드(anode)는 높은 에너지 발산으로 열이 발생하여 냉각수를 이용한 냉각이 필수이다. 냉각수 라인은 진공 챔버 외부로 연결되어 오염 부위의 청소를 위한 애노드 분리에 많은 시간과 숙련도가 필요하다. 이를 위해 애노드를 분리형으로 제작하여 불편함을 개선할 수 있다. 즉, 도 1에서와 같이, 애노드의 탈착을 돕기 위하여 분리부를 구성하여 메인터넌스를 위한 애노드 분리를 쉽게 할 수 있다. 하지만 상기와 같은 애노드 분리부의 구성은 애노드의 발열에 따른 열접촉이 좋지 못하여 열팽창율 차이에 의한 분리부의 열변형으로 인해 이온 빔 발생장치 성능저하의 원인이 된다. 이에 열전도율이 우수한 소재를 이용하여 열 전도판을 중간에 삽입하였다. 공개특허 10-2015-0115158호에서도, 애노드의 탈착을 용이하게 하기 위하여 애노드 상에 홈을 구성하고 있지만 이러한 구성 역시 애노드 형상이 홈으로 인해 부위별 열팽차정도의 차이가 발생, 사용중 변형의 문제가 있다.The anode of a linear ion beam source generates heat due to high energy dissipation, so cooling using cooling water is essential. The coolant line is connected to the outside of the vacuum chamber, so it takes a lot of time and skill to separate the anode for cleaning the contaminated area. To this end, it is possible to improve the inconvenience by manufacturing the anode as a separate type. That is, as shown in FIG. 1 , a separation unit is configured to help detach the anode, so that the anode separation for maintenance can be easily performed. However, in the configuration of the anode separation unit as described above, thermal contact due to heat generation of the anode is not good, and thermal deformation of the separation unit due to a difference in thermal expansion coefficient causes deterioration of the performance of the ion beam generator. Accordingly, a heat conduction plate was inserted in the middle using a material with excellent thermal conductivity. In Patent Publication No. 10-2015-0115158, a groove is formed on the anode to facilitate the removal of the anode, but this configuration also causes a difference in the degree of thermal expansion for each part due to the groove in the shape of the anode, and there is a problem of deformation during use. there is.

본 발명의 목적은 이온 빔 발생장치의 사용 중 열변형이 일어나지 않고 지속적으로 균일한 이온 빔을 발생시킬 수 있고, 애노드의 메인터넌스를 용이하게 할 수 있는 이온 빔 발생장치를 제공하고자 하는 것이다.It is an object of the present invention to provide an ion beam generator capable of continuously generating a uniform ion beam without thermal deformation during use of the ion beam generator and facilitating maintenance of an anode.

상기 목적에 따라 본 발명은 선형 이온 빔 발생장치에 있어서,In accordance with the above object, the present invention provides a linear ion beam generator,

애노드의 탈착을 용이하게 하는 애노드 분리판을 애노드의 형상과 거의 동일하게 구성하여 애노드 상면에 배치하되, 상기 애노드 분리판과 애노드 상면 사이에 애노드 분리판의 열변형을 방지할 수 있는, 열전도성이 우수한 재질로 된 열전도 판을 배치한 이온 빔 발생장치를 제공한다.The anode separator, which facilitates the detachment of the anode, is configured almost identically to the shape of the anode and disposed on the upper surface of the anode. Provided is an ion beam generator in which a heat conduction plate made of a superior material is disposed.

본 발명에 따르면, 이온 빔 발생장치의 애노드 분리판과 애노드 상면 사이에 열전도성이 우수한 재질로 된 열전도 판이 배치됨으로써 이온 빔 발생에서 발생하는 열로 인해 애노드 분리판이 열변형 되는 것을 방지하여 준다. 즉, 발열을 신속히 해결하기 위해 애노드에 설치된 냉각장치 가동에 따른 방열 작용이 열전도 판의 우수한 열전도를 통해 애노드 분리판에 열이 축적되어 변형되는 것을 막아준다. 그에 따라 이온 빔 발생장치로부터 균일한 이온 빔을 지속적으로 얻을 수 있다. According to the present invention, a heat conduction plate made of a material with excellent thermal conductivity is disposed between the anode separator plate of the ion beam generator and the upper surface of the anode, thereby preventing the anode separator plate from being thermally deformed due to heat generated from the ion beam generation. That is, the heat dissipation action according to the operation of the cooling device installed on the anode in order to quickly solve the heat dissipation prevents heat accumulation and deformation in the anode separator plate through excellent heat conduction of the heat conduction plate. Accordingly, a uniform ion beam can be continuously obtained from the ion beam generator.

도 1은 종래 기술에 따른 이온 빔 발생장치 구성을 보여주는 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 이온 빔 발생장치의 구성을 보여주는 단면도이다.
도 3은 본 발명의 이온 빔 발생장치의 애노드 모듈 구성 부분을 보여주는 사시도이다. 1 is a cross-sectional view showing the configuration of an ion beam generator according to the prior art.
2 is a cross-sectional view showing the configuration of an ion beam generator according to the present invention.
3 is a perspective view showing a component part of the anode module of the ion beam generator of the present invention.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 2는 본 발명에 따른 이온 빔 발생장치의 구성을 보여주는 단면도이다.2 is a cross-sectional view showing the configuration of an ion beam generator according to the present invention.

애노드(100)는 캐소드(400)와 이격되게 배치되며, 애노드 상면에 열 전도판(300)이 배열되고, 그 위에 애노드 분리판(200)이 배열된다. 캐소드(400)는 애노드를 장착하는 하우징 형태로 구성되고, 이온 빔이 방출되는 빔 방출구(500)가 애노드 위편에 형성된다. 애노드 몸체 내부는 냉매가 흐를 수 있는 냉각라인(600)이 설치된다. 이온 빔 발생 시 발생하는 열을 식히기 위한 냉각라인에는 냉각수를 흘려주며, 이러한 냉각수의 흐름이 종래 구성에 의한 애노드 분리판에 잘 전달되지 않아 분리판이 열 변형 되어 애노드와 캐소드 간의 간격이 위치별로 달라지는 문제가 발생한다. 본 발명은 애노드(100) 상면에 열전도성이 우수한 소재로 만든 열 전도판(300)을 배열하여 열 전도판(300)이 냉각수에 의한 냉각효과를 애노드 분리판(200)에 원활히 미치도록 하였다. The anode 100 is disposed to be spaced apart from the cathode 400 , the heat conduction plate 300 is arranged on the upper surface of the anode, and the anode separator 200 is arranged thereon. The cathode 400 is configured in the form of a housing for mounting the anode, and the beam outlet 500 from which the ion beam is emitted is formed above the anode. A cooling line 600 through which a refrigerant may flow is installed inside the anode body. Cooling water flows to the cooling line to cool the heat generated when the ion beam is generated, and the flow of this coolant is not well transmitted to the anode separator according to the conventional configuration, so the separator is thermally deformed. occurs In the present invention, the heat conduction plate 300 made of a material having excellent thermal conductivity is arranged on the upper surface of the anode 100 so that the heat conduction plate 300 smoothly exerts the cooling effect of the cooling water on the anode separator 200 .

도 3은 본 발명의 애노드 모듈을 사시도로 보여준다.Figure 3 shows the anode module of the present invention in a perspective view.

애노드(100)는 길이가 긴 선형 애노드로 실제 장축의 길이가 매우 긴 타원형과 유사하다. 그러나 직선 부분을 포함하며, 양단부에서 반원형으로 휘어진다. 애노드의 직선 부분에 열 전도판(200)이 안착되며, 이를 위해 애노드 직선 부분은 안착 홈(150)이 형성된다. 안착 홈(150)의 단차는 열 전도판(300)의 두께와 거의 같고, 0.5 내지 2mm 일 수 있다. 열 전도판(300) 상면에 애노드 분리판(200)이 열 전도판(300)과 접하여 배열된다. 애노드 분리판(200)은 애노드의 탈착을 용이하게 하기 위한 것으로 애노드(100)와 동일한 형상으로 구성된다. The anode 100 is a long linear anode, and is similar to an oval having a very long major axis. However, it includes a straight portion and is curved in a semicircle at both ends. The heat conduction plate 200 is seated on a straight portion of the anode, and for this purpose, a seating groove 150 is formed on the straight portion of the anode. The step of the seating groove 150 is substantially the same as the thickness of the heat conduction plate 300 , and may be 0.5 to 2 mm. The anode separator 200 is arranged in contact with the heat conduction plate 300 on the upper surface of the heat conduction plate 300 . The anode separator 200 is configured to have the same shape as the anode 100 to facilitate detachment of the anode.

다음은 열 전도판의 재질 선택에 대해 설명한다.The following describes the material selection of the heat conduction plate.

선형 이온 빔 발생장치의 애노드는 그 특성 상 자장을 왜곡시키는 자성체를 사용할 수 없다. 또한, Al, Cu 등은 애노드에 인가되는 전원의 역할 때문에 스케일이 쉽게 발생하여 애노드를 냉각하는 냉각수 흐름을 불량하게 하고, 용접이나 납땜이 쉽지 않아 냉각 라인의 설치를 어렵게 하는 문제가 있다. The anode of the linear ion beam generator cannot use a magnetic material that distorts the magnetic field due to its characteristics. In addition, Al, Cu, etc. have a problem in that scale easily occurs due to the role of power applied to the anode, which deteriorates the flow of cooling water for cooling the anode, and makes it difficult to install a cooling line because welding or soldering is not easy.

따라서 일반적인 애노드는 스테인레스스틸 계열로 만드는데, 스테인레스스틸은 열전도율이 매우 나쁜 특성이 있다. Therefore, a general anode is made of stainless steel, and stainless steel has a very bad thermal conductivity.

또한, 애노드의 메인터넌스를 위해 애노드를 이온 빔 발생장치에서 탈착분리를 쉽게 하도록 애노드 상면에 배치되는 애노드 분리판의 재질은 애노드와 마찬가지로 자성체 소재를 사용하지 못하며, 비철금속의 경우 스퍼터링 일드(sputtering yield)가 높아 방전 시 분리판 자체가 스퍼터링 되는 현상이 발생해 코팅의 성능 저하 요인이 된다. 따라서 스퍼터링 일드가 낮고 잦은 청소에도 변형이 적고 강도를 유지할 수 있는 스테인레스스틸이 적합하다. 이와 같이 애노드와 애노드 분리판 모두 스테인레스스틸로 구성될 경우, 강도 및 부식 면에서 문제가 없지만, 열전달이 좋지 못한 2 개의 부품이 접합되어 애노드를 냉각함에 따라 애노드 분리판에서 발생된 열의 이동이 원활하지 않다. 그에 따라 이온 빔 발생장치의 사용으로 애노드 분리판이 열변형 되고, 변형이 발생되면 분리판의 열접촉이 더욱 나빠져 냉각 효율이 떨어져 열변형은 가속화되는 악순환이 일어난다. 특히, 선형 이온 빔 발생장치는 애노드의 길이가 최소 300mm, 최대 2m 정도에 이르기 때문에, 소량의 변형도 애노드와 캐소드 간의 간격에 변화를 일으겨 이온 빔의 균일도(uniformity)를 나쁘게 만든다. In addition, for maintenance of the anode, magnetic material cannot be used for the material of the anode separator disposed on the upper surface of the anode to facilitate detachment and separation of the anode from the ion beam generator. When discharging is high, sputtering of the separator itself occurs, which causes deterioration of the coating performance. Therefore, stainless steel with low sputtering yield and less deformation even with frequent cleaning and maintaining strength is suitable. In this way, when both the anode and the anode separator are made of stainless steel, there is no problem in terms of strength and corrosion. not. Accordingly, the anode separator is thermally deformed due to the use of the ion beam generator, and when the deformation occurs, the thermal contact of the separator is further deteriorated, and the cooling efficiency decreases, resulting in a vicious cycle in which the thermal deformation is accelerated. In particular, since the length of the anode of the linear ion beam generator reaches a minimum of 300 mm and a maximum of about 2 m, even a small amount of deformation causes a change in the distance between the anode and the cathode, thereby deteriorating the uniformity of the ion beam.

또한, 분리판에 가해지는 변형에 의한 응력(stress)은 애노드에도 전달되어 애노드를 고정하는 절연체(insulator)의 파손이 발생 한다. In addition, the stress caused by the deformation applied to the separator is transmitted to the anode, and the insulator fixing the anode is damaged.

따라서 상기 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 분리판과 애노드 상면 사이에 열 전도판을 배열하였다. 열 전도판의 재질은 열전도성이 우수한 Al 또는 Cu가 적합하다. Therefore, in order to solve the above problem, the present invention arranges a heat conduction plate between the separator and the upper surface of the anode. Al or Cu, which has excellent thermal conductivity, is suitable for the material of the heat conduction plate.

또한, 열전도성이 뛰어난 Ag를 Al 또는 Cu로 만든 열 전도판에 얇게 코팅하여 열전도성을 더욱 높일 수도 있다. Ag 페이스트를 열 전도판 양면에 블레이드 코팅과 같은 방식으로 얇게 코팅할 수 이다. In addition, the thermal conductivity may be further increased by thinly coating Ag, which has excellent thermal conductivity, on a thermal conduction plate made of Al or Cu. Ag paste can be thinly coated on both sides of the heat conduction plate in the same way as blade coating.

열 전도판의 경우 플라즈마(plasma)에 직접 노출 되지 않아 스퍼터링 일드(sputtering yield)가 높은 재질로 구성되어도 무방하며, 별도의 청소도 필요치 않아 강도도 높을 필요가 없다. 또한, 상기 재질은 자성체가 아니기 때문에 적합한 소재라 할 수 있다. 이러한 구성으로 인해 선형 이온 빔 발생장치의 길이가 길어져도 제작에 문제가 없으며, 균일한 이온 빔을 지속적으로 얻을 수 있다. In the case of the heat conduction plate, it is not directly exposed to plasma, so it may be composed of a material with high sputtering yield, and there is no need for additional cleaning, so it does not need to have high strength. In addition, since the material is not a magnetic material, it can be said that it is a suitable material. Due to this configuration, even if the length of the linear ion beam generator increases, there is no problem in manufacturing, and a uniform ion beam can be continuously obtained.

열 전도판은 애노드 및 애노드 분리판과 동일 형태일 수도 있지만, 도 2에서와 같이 애노드의 선형 부분에만 배치될 수도 있다. 이러한 선형 열 전도판의 배열은 선팽창 등으로 열변형이 문제될 수 있는 분리판의 선형부 아래 배열된다. The heat conduction plate may have the same shape as the anode and the anode separator plate, but may be disposed only on the linear portion of the anode as in FIG. 2 . The arrangement of such a linear heat conduction plate is arranged under the linear part of the separator, where thermal deformation due to linear expansion or the like may be a problem.

이와 같이 하여, 장시간 지속적으로 균일한 이온 빔을 발생시킬 수 있는 애노드를 포함한 이온 빔 발생장치를 구현할 수 있다. In this way, it is possible to implement an ion beam generator including an anode capable of continuously generating a uniform ion beam for a long time.

본 발명의 권리는 위에서 설명된 실시 예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다. The rights of the present invention are not limited to the above-described embodiments, but are defined by the claims, and those of ordinary skill in the art can make various modifications and adaptations within the scope of the claims. it is self-evident

애노드(100)
캐소드(400)
열 전도판(300)
애노드 분리판(200)
빔 방출구(500)
냉각라인(600)
안착 홈(150)Anode(100)
cathode (400)
heat conduction plate (300)
Anode Separator (200)
beam outlet (500)
Cooling line (600)
Seating groove (150)

Claims (5)

선형 이온 빔 발생장치에 있어서,
애노드 몸체 내부에 냉각라인이 설치된, 직선 부분을 갖는 애노드;
상기 애노드 상면에 배열된 열 전도판; 및
상기 열 전도판 상면에 배치되어 애노드의 탈착을 용이하게 하는 애노드 분리판;을 포함하고,
상기 애노드 분리판은 애노드와 동일한 형상으로 구성되고 상기 애노드의 탈착을 용이하게 하는 역할을 하며, 스테인레스 스틸을 포함하고,
상기 애노드의 직선 부분은 안착 홈을 구비하여 상기 열 전도판이 상기 안착 홈에 놓여 안착된 것을 특징으로 하는 선형 이온 빔 발생장치.A linear ion beam generator comprising:
The cooling line is installed inside the anode body, the anode having a straight portion;
a heat conduction plate arranged on the upper surface of the anode; and
It includes; an anode separator plate disposed on the upper surface of the heat conduction plate to facilitate detachment of the anode;
The anode separator is configured in the same shape as the anode and serves to facilitate detachment of the anode, and includes stainless steel,
A linear ion beam generator, characterized in that the straight portion of the anode is provided with a seating groove, and the heat conduction plate is placed in the seating groove to be seated. 제1항에 있어서, 상기 열 전도판은 비자성체이고, 애노드 분리판보다 열전도율이 더 높은 소재로 구성된 것을 특징으로 하는 선형 이온 빔 발생장치.The linear ion beam generator according to claim 1, wherein the heat conduction plate is made of a non-magnetic material and has a higher thermal conductivity than that of the anode separator. 제2항에 있어서, 열 전도판은 Al 또는 Cu를 포함하는 것을 특징으로 하는 선형 이온 빔 발생장치.
3. The linear ion beam generator according to claim 2, wherein the heat conduction plate comprises Al or Cu.
 삭제delete 제3항에 있어서, 열 전도판은 Ag 코팅을 포함하는 것을 특징으로 하는 선형 이온 빔 발생장치.





4. The linear ion beam generator of claim 3, wherein the heat conduction plate comprises an Ag coating.
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