KR20140049302A

KR20140049302A - 선형 이온빔 발생장치

Info

Publication number: KR20140049302A
Application number: KR1020120115405A
Authority: KR
Inventors: 김도근; 김종국; 이승훈; 강재욱; 김태엽; 남경훈
Original assignee: 한국기계연구원; 주식회사 포스코
Priority date: 2012-10-17
Filing date: 2012-10-17
Publication date: 2014-04-25
Also published as: KR101403101B1

Abstract

이온빔의 방향을 조절할 수 있는 선형 이온빔 발생장치가 개시된다. 상기 선형 이온빔 발생장치는, 제1 음극; 상기 제1 음극을 둘러싸며, 상기 제1 음극과의 사이에 이온빔 인출부를 형성하는 제2 음극; 및 상기 이온빔 인출부 하부에서 상기 제1 및 제2 음극과 적어도 부분적으로 중첩하도록 이격하여 배치된 양극을 포함하며, 상기 제1 및 제2 음극의 대향하는 대향 면은 서로 비대칭 구조를 형성하여 상기 제1 음극을 중심으로 외측 또는 내측으로 경사지게 인출되는 이온빔의 인출 통로를 구성한다.

Description

선형 이온빔 발생장치{LINEAR ION BEAM SOURCE}

본 발명은 이온빔 소스에 관한 것으로서, 특히 이온빔 인출 각도를 조절할 수 있는 선형 이온빔 발생장치에 관한 것이다.

이온빔은 이온들로 구성되는 대전 입자빔의 한 유형이다. 이온빔 발생장치 또는 이온빔 소스(ion beam source)는 대전 입자빔을 생성하기 위한 전자기 장치이다.

가스 방전을 이용한 이온빔 소스들로는 유도 결합형 플라즈마(inductively coupled plasma), 마이크로웨이브 플라즈마(microwave plasma), 글로우 방전(glow discharge), 아크 방전(arc discharge), 클로우즈드 드리프트(closed drift) 이온빔 소스들이 있다.

상기한 이온빔 소스들 중, 클로우즈드 드리프트 이온빔 소스는, 가스를 이온화시키기 위한 전자들을 가두기 위하여, 환형 캐비티(cavity) 내에 방사형 자기장을 이용한다.

클로우즈드 드리프트 방식 선형 이온빔 발생장치는 대면적화가 용이하고 구조가 간단하기 때문에 진공 표면처리 공정에서 다양하게 사용되고 있다. 최근 롤투롤(roll-to-roll) 공정의 응용분야가 다양해지고, 특히 생산성 향상을 위한 고속 표면처리 공정 개발이 요구됨에 따라 선형 이온빔 발생장치의 표면처리 속도 향상을 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.

선형 이온빔 발생장치의 표면처리 속도 향상을 위해 인출 이온빔 전류 밀도, 에너지 및 인출 각도 등의 이온빔 특성에 따른 표면처리 공정 최적화 기술들이 제시되고 있으며, 이러한 연구들을 통해 선형 이온빔 발생장치의 표면처리 성능이 향상되고 있다.

선형 이온빔 발생장치를 활용한 다양한 표면처리 기술들 중 표면식각 공정은 대표적인 활용 분야이다. 표면식각 공정 시, 이온빔 특성들 중 이온빔 인출 각도는 표면처리 대상의 스퍼터링 효율에 직접적으로 연관된 변수이며, 이온빔 인출 각도 최적화를 통해 식각 성능 향상을 극대화 할 수 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 클로우즈드 드리프트 이온빔 발생장치의 단면도이고, 도 2는 도 1의 이온빔 발생장치에서 이온빔의 인출각도를 설명하기 위한 모식도이다.

중앙의 음극(20)을 감싸듯이 양측에 음극(30)이 위치하여 이들 음극(20, 30) 사이에 이온빔 인출부(50)가 형성되고, 음극(20)의 하부에는 영구자석(10)이 위치한다. 또한, 이온빔 인출부(50)의 하부에는 음극(20, 30)과 각각 일부가 중첩되도록 양극(40)이 위치한다.

도 2를 참조하면, 영구자석(10)에 의해 발생된 자기장과 양극(40) 및 음극(20, 30) 간 형성된 전기장에 의해 전자는 원형 또는 타원형 궤도를 따라 회전운동을 하며, 전자-중성입자 충돌에 의해 이온을 발생시킨다.

발생된 이온은 양극(40) 부근에 형성된 애노드 층(anode layer)이라 불리는 영역에서 강한 전기장(E)에 의해 가속되어 방출되는데, 이온빔의 인출방향은 전기장(E)의 방향과 일치하고, 자기장(B)의 방향에 수직한다.

그러나, 도 1을 다시 참조하면, 이온빔 인출부(50)에 있어서 음극(20, 30)의 대향 면(22, 32)은 각각 인접하여 절곡된 면(22a, 22b)과 면(32a, 32b)으로 구성되는데, 이들 각 면(22a, 22b)(32a, 32b)은 완전하게 대칭을 이룬다.

그 결과, 이온빔 발생장치의 수평방향으로 진행하는 자기장(B)에 수직하는 전기장(E)에 의해 이온빔은 이온빔 발생장치의 수직방향으로 인출된다.

이처럼, 종래의 클로우즈드 드리프트 이온빔 발생장치에서는, 장치의 특성상 이온빔이 장치의 수직방향으로 인출된다. 따라서, 이온빔 인출 각도를 조절하기 위해서는 이온빔 발생장치 자체를 회전하는 방법이 주로 사용되었다.

그러나, 이러한 방법에 의하면, 진공용기 내에서 이루어지는 표면처리 공정 장비의 설계 및 운전에 구조적인 어려움이 있기 때문에, 이온빔 발생장치 자체적으로 이온빔 인출 각도를 조절할 수 있는 기술 개발이 요구된다.

따라서, 본 발명의 목적은 이온빔 인출 각도를 조절할 수 있는 선형 이온빔 발생장치를 제공하는 데 있다.

상기의 목적은, 제1 음극; 상기 제1 음극을 둘러싸며, 상기 제1 음극과의 사이에 이온빔 인출부를 형성하는 제2 음극; 및 상기 이온빔 인출부 하부에서 상기 제1 및 제2 음극과 적어도 부분적으로 중첩하도록 이격하여 배치된 양극을 포함하며, 상기 제1 및 제2 음극의 대향하는 대향 면은 서로 비대칭 구조를 형성하여 상기 제1 음극을 중심으로 외측 또는 내측으로 경사지게 인출되는 이온빔의 인출 통로를 구성하는 선형 이온빔 발생장치에 의해 달성된다.

바람직하게, 상기 제1 및 제2 음극의 대향하는 대향 면은 각각 인접하여 절곡하는 면이 이루는 절곡부를 포함하고, 상기 제1 및 제2 음극의 절곡부는 상기 이온빔 인출부의 입구 면으로부터의 높이가 서로 다르게 형성될 수 있다.

바람직하게, 상기 제1 음극의 절곡부의 위치가 상기 제2 음극의 절곡부의 위치보다 높게 형성되어 상기 이온빔이 상기 제1 음극을 중심으로 외측으로 퍼지도록 경사지게 인출되도록 할 수 있다.

바람직하게, 상기 제1 음극의 절곡부의 위치가 상기 제2 음극의 절곡부의 위치보다 낮게 형성되어 상기 이온빔이 상기 제1 음극을 중심으로 내측으로 모이도록 경사지게 인출되도록 할 수 있다.

바람직하게, 상기 제2 음극은 폐루프 형태를 가질 수 있고, 더욱 바람직하게, 원형 또는 타원형의 폐루프 형태를 가질 수 있다.

바람직하게, 상기 이온빔 인출부는 폐루프 형태를 가질 수 있고, 더욱 바람직하게, 원형 또는 타원형의 폐루프 형태를 가질 수 있다.

본 발명의 실시예들에 따르는 이온빔 발생장치에 의하면, 이온빔 발생장치의 수직방향을 기준으로 약 60도까지 이온빔 인출각도를 쉽고 간단하게 조절할 수 있으며, 인출되는 이온빔의 전류밀도 및 에너지는 종래의 이온빔 발생장치에서 발생되는 이온빔과 비교하여 약 ㅁ10%의 차이를 가진다.

본 발명의 이온빔 발생장치를 표면 식각 공정에 적용할 경우, 약 250%의 표면식각 속도 향상을 얻을 수 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 클로우즈드 드리프트 이온빔 발생장치의 단면도이다.
도 2는 도 1의 이온빔 발생장치에서 이온빔의 인출각도를 설명하기 위한 모식도이다.
도 3은 본 발명의 예시적 실시예에 따르는 이온빔 발생장치를 나타낸다.
도 4는 도 3의 장치에서 이온빔의 인출 각도 변화를 설명하기 위한 모식도이다.
도 5a와 도 5b는 각각 도 1과 도 3의 이온빔 발생장치들에서 Y축 방향(이온빔 인출 방향)의 전기장 세기 분포를 전산 모사한 결과들을 보여준다.
도 6은 도 1과 도 3에 도시된 전극 구조를 가지는 이온빔 발생장치들을 통하여 표면식각 실험을 진행한 결과들을 보여주는 그래프이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예가 설명된다. 그러나, 본 발명의 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들로 인해 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어진 것이며, 도면상에서 동일한 부호로 표시된 요소는 동일한 요소를 의미한다.

도 3은 본 발명의 예시적 실시예에 따르는 선형 이온빔 발생장치를 나타내고, 도 4는 도 3의 장치에서 이온빔의 인출 각도 변화를 설명하기 위한 모식도이다.

도 3을 참조하면, 중앙에 위치한 제1 음극(120)은 제2 음극(130)에 의해 둘러싸이며 이들 사이의 간극에 의해 이온빔 인출부(150)가 형성되고, 이온빔 인출부(150)의 입구 면(152)은 수평면을 이룬다.

바람직하게, 제2 음극(130)은, 가령, 원형 또는 타원형의 폐루프 형태로 형성될 수 있다.

제1 음극(120) 하부에는 영구자석(110)이 위치하고, 이온빔 인출부(150)의 하부에는 제1 및 제2 음극(120, 130)과 각각 일부가 중첩되는 양극(140)이 이격하여 위치한다.

여기서, 제2 음극(130)이 폐루프를 이루는 경우, 양극(140)도 폐루프를 이룰 수 있다. 따라서, 이온빔 인출부(150)는 원형 또는 타원형의 폐루프 형태로 구성될 수 있다.

이온빔 인출부(150) 내 및/또는 근처에 있는 이온 가속화 공간 내의 전자들은 이온빔 인출부(150) 주변에서 교차하는 전자기력선들의 영역 내의 폐루프 경로에 있는 EㅧB 드리프트에 의하여 가속된다. 이들 선회 전자들은 가스의 이온화에 기여한다.

본 발명에 의하면, 이온빔 인출부(150)에서 제1 음극(120)과 제2 음극(130)의 서로 대향하는 대향 면(122, 132)은 인접하여 절곡하는 면(122a, 122b)과 면(132a, 132b)으로 이루어진다.

여기서, 면(122a, 122b)과 면(132a, 132b)의 절곡부(123, 133)가 상이하게 위치한다. 즉, 면(122a, 122b)의 절곡부(123)는 면(132a, 132b)의 절곡부(133)보다 상부에 위치한다. 그 결과, 면(122a, 122b)과 면(132a, 132b)으로 각각 이루어지는 제1 및 제2 음극(120, 130)의 대향 면(122, 132)은 서로 비대칭적인 구조를 갖게 된다.

이러한 비대칭적 구조에 의하면, 이온빔 인출부(150)에서 자기장(B)의 방향은, 도 4에 도시된 것처럼, 이온빔 인출부(150)의 입구 면(152)을 기준으로 소정 각도만큼 우측 상방향으로 경사지게 된다. 이러한 자기장(B)의 변화에 따라 이온빔을 인출하기 위한 전기장(E)의 방향도 변화한다. 즉, 전기장(E)은 자기장(B)에 수직하므로 전기장(E)도 좌측 하방향으로 소정 각도만큼 경사진다. 그 결과, 인출되는 이온빔의 인출 각도가 종래 수직방향에 대하여 소정 각도만큼 경사지게 된다.

도 5a와 도 5b는 각각 도 1과 도 3의 이온빔 발생장치들에서 Y축 방향(이온빔 인출방향)의 전기장 세기 분포를 전산 모사한 결과들을 보여준다. 구체적으로, 도 5a는 종래 기술에 따른 이온빔 발생장치의 이온빔 인출 전극 내 Y방향 전기장 세기 분포를 보여주고, 도 5b는 본 발명에 의한 이온빔 발생장치의 인출 전극 내 Y방향 전기장 세기 분포를 보여준다.

도 1과 도 5a를 참조하면, 서로 마주보는 제1 및 제2 음극(20, 30) 사이에서 대칭 구조를 이루는 대향 면(22, 32)에 의해 형성되는 이온빔 인출부(50)를 통하여 이온빔이 양극(10)에 수직한 Y방향으로 인출된다.

반면, 도 3과 도 5b를 참조하면, 서로 마주보는 제1 및 제2 음극(120, 130) 사이에서 비대칭 구조를 이루는 대향 면(122, 132)에 의해 형성되는 이온빔 인출부(150)를 통하여 이온빔이 입구 면(152)에 수직한 Y방향으로부터 소정 각도로 경사진 방향으로 인출되는 것을 알 수 있다.

도 6은 이온빔 발생장치를 통하여 실리콘 기판에 대한 이온빔의 각도에 따른 표면식각 실험을 진행한 결과들을 보여주는 그래프이다. 도 6의 그래프에서 가로축은 이온빔의 인출 각도를 나타내고 세로축은 식각률을 나타낸다.

대향하는 음극의 대향 면이 대칭구조인 경우, 이온빔의 각도는 0도에 가깝고, 이때의 식각율은 약 1 a.u.이다. 반면, 이온빔의 인출 각도를 변화시켜 이온빔 인출 각도가 60도인 경우 식각률은 대략 2.5 a.u. 정도의 식각률을 얻을 수 있다. 이러한 차이는, 이온빔 식각 공정에서의 식각률이 이온빔 입사각에 따른 스퍼터링율에 지배받기 때문에 생긴다.

종래와 같이, 대향하는 음극 사이의 대향 면이 대칭 구조를 이루는 이온빔 발생장치의 경우, 이온빔의 인출 각도를 조절하기 위해서는 이온빔 발생장치 자체를 회전시켜야 하는데, 상기한 바와 같이, 진공용기 내 이루어지는 표면처리 공정 장비 설계 및 운전에 구조적인 어려움이 있다.

반면, 본 발명에서는 대향하는 음극 사이의 대향 면이 비대칭 구조를 이루기 때문에 비대칭 구조의 적절한 설계를 통하여 이온빔의 인출 각도를 60도까지 설정할 수 있다. 다시 말해, 도 3과 같이, 제1 및 제2 음극(120, 130) 사이의 대향 면(122, 132)을 구성하는 인접하여 절곡하는 면(122a, 122b)과 면(132a, 132b)의 절곡부(123, 133)의 위치를 적절하게 설계함으로써 이온빔 인출 각도를 조절할 수 있다.

결론적으로, 본 발명에 따른 비대칭 구조의 음극을 구비한 이온빔 발생장치에서는 이온빔 발생장치의 회전 없이 이온빔의 각도를 0도에서 60도까지 변화시킬 수 있으며, 실리콘 기판을 기준으로 한 표면 식각률을 종래의 대칭 구조의 음극을 구비한 이온빔 발생장치보다 약 250% 만큼 향상시킬 수 있다.

상기에서, 입사각에 따른 아르곤 이온의 스퍼터링율의 경우, 도 6에 나타난 이온빔 인출 각도에 따른 실리콘 기판 식각률과 유사한 결과를 보인다.

한편, 본 발명의 이온빔 발생장치를 통하여 인출되는 이온빔의 전류밀도 및 에너지는 종래의 이온빔 발생장치에서 발생되는 이온빔과 비교하여 약 ㅁ10%의 차이를 가진다.

상기의 실시예에서는 제1 음극(120)의 대향 면(122)에서의 절곡부(123)의 위치가 제2 음극(130)의 대향 면(132)에서의 절곡부(133)의 위치보다 높게 형성되는 것을 예로 들어 설명하였다. 이 경우, 이온빔 인출 통로가 제1 음극(120)을 중심으로 외측으로 퍼지는 형상으로 형성되어 이온빔은 외측으로 경사져서 인출된다.

그러나, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 제1 음극(120)의 대향 면(122)에서의 절곡부(123)의 위치가 제2 음극(130)의 대향 면(132)에서의 절곡부(133)의 위치보다 낮게 형성될 수 있다. 이 경우, 이온빔 인출 통로가 제1 음극(120)을 중심으로 내측으로 모이는 형상으로 형성되어 이온빔은 내측으로 경사져서 인출된다.

또한, 상기의 실시예에서는 제1 및 제2 음극(120, 130)의 대향 면(122, 132)에서 각각 하나의 절곡부(123, 133)가 형성되는 것을 예로 들었으나, 둘 이상의 절곡부가 형성될 수 있다.

이상에서 설명한 실시예에 대해 당업자 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있으며, 이러한 변경과 변형은 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 당연히 속한다. 따라서, 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 특허청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.

본 발명에서 개시된 선형 이온빔 발생장치는 강판, 실리콘 기판, PCB 기판, 유리기판 등의 표면처리공정에 적용될 수 있다.

120: 제1 음극
122: 대향 면
123: 절곡부
130: 제2 음극
132: 대향 면
133: 절곡부
140: 양극
150: 이온빔 인출부
152: 입구 면

Claims

제1 음극;
상기 제1 음극을 둘러싸며, 상기 제1 음극과의 사이에 이온빔 인출부를 형성하는 제2 음극; 및
상기 이온빔 인출부 하부에서 상기 제1 및 제2 음극과 적어도 부분적으로 중첩하도록 이격하여 배치된 양극을 포함하며,
상기 제1 및 제2 음극의 대향하는 대향 면은 서로 비대칭 구조를 형성하여 상기 제1 음극을 중심으로 외측 또는 내측으로 경사지게 인출되는 이온빔의 인출 통로를 구성하는 것을 특징으로 하는 선형 이온빔 발생장치.
청구항 1에 있어서,
상기 제1 및 제2 음극의 대향하는 대향 면은 각각 인접하여 절곡하는 면이 이루는 절곡부를 포함하고,
상기 제1 및 제2 음극의 절곡부는 상기 이온빔 인출부의 입구 면으로부터의 높이가 서로 다르게 형성되는 것을 특징으로 하는 선형 이온빔 발생장치.
청구항 2에 있어서,
상기 제1 음극의 절곡부의 위치가 상기 제2 음극의 절곡부의 위치보다 높게 형성되어 상기 이온빔이 상기 제1 음극을 중심으로 외측으로 퍼지도록 경사지게 인출되는 것을 특징으로 하는 선형 이온빔 발생장치.
청구항 2에 있어서,
상기 제1 음극의 절곡부의 위치가 상기 제2 음극의 절곡부의 위치보다 낮게 형성되어 상기 이온빔이 상기 제1 음극을 중심으로 내측으로 모이도록 경사지게 인출되는 것을 특징으로 하는 선형 이온빔 발생장치.
청구항 2에 있어서,
상기 제2 음극은 폐루프 형태를 가지는 것을 특징으로 하는 선형 이온빔 발생장치.
청구항 5에 있어서,
상기 제2 음극은 원형 또는 타원형의 폐루프 형태를 가지는 것을 특징으로 하는 선형 이온빔 발생장치.
청구항 2에 있어서,
상기 이온빔 인출부는 폐루프 형태를 가지는 것을 특징으로 하는 선형 이온빔 발생장치.
청구항 7에 있어서,상기 이온빔 인출부는 원형 또는 타원형의 폐루프 형태를 가지는 것을 특징으로 하는 선형 이온빔 발생장치.