KR20150144557A

KR20150144557A - 이온빔 소스

Info

Publication number: KR20150144557A
Application number: KR1020140073485A
Authority: KR
Inventors: 김종국; 김기택; 이승훈; 강용진
Original assignee: 한국기계연구원
Priority date: 2014-06-17
Filing date: 2014-06-17
Publication date: 2015-12-28

Abstract

이온빔 소스는 양극 및 방전 공간을 형성하기 위해 상기 양극의 상방에 제1 간격만큼 이격되도록 제1 음극 및 제2 음극이 배치되고, 상기 제1 음극 및 제2 음극은 상기 방전 공간에서 형성된 이온빔을 인출하기 위해 서로 제2 간격만큼 이격되는 음극을 포함한다. 상기 제1 음극 및 제2 음극은 각각, 상기 방전 공간을 확장하기 위해 상기 양극과 마주보는 저면과 상기 제1 음극과 상기 제2 음극이 서로 마주보는 측면이 만나는 모서리에 제1 경사부를 갖는다. 따라서, 상기 이온빔 소스의 방전 공간을 크게 하여 인출되는 이온빔의 양을 증가시킬 수 있다.

Description

이온빔 소스{Ion beam source}

본 발명은 진공 표면처리에 사용되는 이온빔 소스에 관한 것으로, 보다 상세하게는 플라즈마의 방전 공간에서 이상방전으로 천이되지 않게 전극간의 방전 공간을 확보하면서, 이온빔으로 인출되는 이온의 양을 증가시킬 수 있는 이온빔 소스에 관한 것이다.

일반적으로, 이온빔 소스는 일정 간격으로 이격되어 배치된 양극과 음극에 전압을 인가하고 상기 이격된 공간에 가스를 주입하여 이온을 발생시키고, 상기 이온을 전기장으로 가속하여 빔 형태로 인출한다. 상기 이온빔 기술은 필라멘트 혹은 RF 주파수를 활용하여 이온을 발생시킨 후 별도의 가속 전극을 통해 이온을 가속 인출하는 방식과 이온의 발생과 가속이 동시에 가능한 구조의 인출 방식으로 크게 나뉜다.

상기 이온의 발생과 가속이 동시에 가능한 구조의 인출방식의 경우, 폐회로 운동을 하는 전자를 이용한 폐회로 운동(Closed Drift) 형태의 이온 소스를 주로 활용한다. 상기 폐회로 운동 형태의 이온빔 소스는 이온 발생 영역을 선형으로 쉽게 확장할 수 있으며, 구조가 간단하여 다양한 표면처리 산업 분야에 사용되고 있다. 상기와 같이 상기 폐회로 운동 형태의 선형 이온빔 소스가 개시된 특허의 예로는 미국등록특허 제7425709호가 있다.

상기 선형 이온빔 소스를 고속 표면 처리 공정에 활용하기 위해서는 선형 이온빔 소스에서 발생되는 이온 또는 활성종의 양이 많아야 한다. 일반적으로 방전 전력 및 전류를 증가시킴으로써 이온 및 활성종의 발생을 증가시킬 수 있다.

상기 선형 이온빔 소스에서 양극과 음극의 간격이 넓어질수록 방전 전류가 증가한다. 하지만, 상기 양극과 음극의 간격이 특정 거리 이상 넓어지면, 이온빔 인출을 위한 플라즈마 방전 공간 이외의 공간이 넓어지면서 원하지 않는 절연파괴가 일어난다. 따라서, 상기 플라즈마의 유동 불안정성이 야기되어 이상 방전이 발생하므로, 상기 이온빔 소스의 사용 안정성이 나빠지게 된다.

또한, 동일한 전압 조건에서 상기 방전 공간의 확장을 통해 상기 방전 전류 및 전력을 향상시킬 수 있다. 상기 방전 공간이 확장되는 경우, 자기장에 의해 구속되어 이동하는 전자가 중성입자와 충돌할 수 있는 공간이 증가하여 상대적으로 상기 방전 전류가 증가한다. 하지만, 과도하게 상기 방전 공간을 확장하거나, 비 방전 방역에서의 양극과 음극 사이의 공간을 확장하는 경우, 이상 방전 또는 불안정 방전을 초래할 수 있다.

그리고, 상기 이온빔이 인출되면서 상기 음극을 식각하거나 스퍼터링하여 음극 사이의 간격이 넓어지게 된다. 따라서, 상기 방전 전류의 감소가 일어나며, 이로 인해 이온빔 전류도 감소한다. 그러므로, 상기 음극 사이가 일정 간격 이하이어야만 상기 이온빔 소스의 안정성을 보장할 수 있다.

따라서, 상기 이온빔 전류량을 증가시킬 수 있으며, 상기 음극의 사용 수명도 증대시킬 수 있는 선형 이온빔 소스의 개발이 요구된다.

미국등록특허 제7425709호(2008.09.16. 등록)

본 발명은 이온빔 전류를 증가시킬 수 있으며, 음극의 사용 수명을 증대시킬 수 있는 이온빔 소스를 제공한다.

본 발명에 따른 이온빔 소스는 양극 및 방전 공간을 형성하기 위해 상기 양극의 상방에 제1 간격만큼 이격되도록 제1 음극 및 제2 음극이 배치되고, 상기 제1 음극 및 제2 음극은 상기 방전 공간에서 형성된 이온빔을 인출하기 위해 서로 제2 간격만큼 이격되는 음극을 포함하고, 상기 제1 음극 및 제2 음극은 각각, 상기 방전 공간을 확장하기 위해 상기 양극과 마주보는 저면과 상기 제1 음극과 상기 제2 음극이 서로 마주보는 측면이 만나는 모서리에 제1 경사부를 가질 수 있다.

본 발명의 일 실시예들에 따르면, 상기 제1 음극 및 제2 음극은 각각, 상기 제1 음극과 상기 제2 음극이 서로 마주보는 측면에서 상기 제1 경사부와 연속하도록 상기 제1 경사부의 상방에 배치되는 수직부를 가질 수 있다.

본 발명의 일 실시예들에 따르면, 상기 제1 음극 및 제2 음극은 각각, 상기 인출되는 이온빔의 확산을 위해 상기 제1 음극과 상기 제2 음극이 서로 마주보는 측면에서 상기 수직부와 연속하도록 상기 수직부의 상방에 배치되는 제2 경사부를 가질 수 있다.

본 발명의 일 실시예들에 따르면, 상기 제1 경사부의 높이는 0 내지 5 mm이며, 상기 수직부의 높이는 0.5 내지 3 mm일 수 있다.

본 발명의 일 실시예들에 따르면, 상기 제1 간격은 1 내지 5 mm 이며, 상기 제2 간격은 1 내지 5mm일 수 있다.

본 발명의 일 실시예들에 따르면, 상기 제1 음극의 저면과 상기 제2 음극의 저면은 제3 간격만큼 이격되며, 상기 제3 간격은 1 내지 11mm일 수 있다.

본 발명에 따른 이온빔 소스에서 제1 음극 및 제2 음극은 각각, 양극과 마주보는 제1 음극과 제2 음극의 저면과 상기 제1 음극과 상기 제2 음극이 서로 마주보는 측면이 만나는 모서리에 제1 경사부를 갖는다. 상기 제1 경사부로 인해 상기 제1 음극과 상기 제2 음극 사이 영역에서 양극과 음극의 간격이 넓어지므로 방전 공간이 확장될 수 있다. 따라서, 이상 방전이나 불안정 방전없이 상기 이온빔 소스의 방전 전류를 증가시킬 수 있다. 또한, 상기 방전 공간의 확장을 통해 플라즈마 발생을 증대시킬 수 있고, 나아가 상기 이온빔 소스로부터 인출되는 이온빔의 양을 증가시킬 수 있다. 그러므로, 상기 이온빔 소스를 이용한 표면처리 공정의 속도를 향상시킬 수 있다.

상기 이온빔 소스에서 제1 음극 및 제2 음극은 수직부를 갖는다. 그러므로, 상기 인출되는 이온빔에 의해 상기 음극이 식각되거나 스퍼터링되더라도 상기 제1 음극과 상기 제2 음극 사이의 간격이 넓어지는 것을 늦출 수 있다. 그러므로, 상기 음극의 교체 주기를 길게 함으로써 상기 이온빔 소스의 수명을 연장시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이온빔 소스를 설명하기 위한 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 이온빔 소스를 설명하기 위한 단면도이다.
도 3은 도 2에 도시된 이온빔 소스의 양극과 음극을 확대한 확대도이다.
도 4는 본 발명의 이온빔 소스에서 실시예 1 내지 4의 전압에 따른 방전 전류를 측정한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 이온빔 소스에서 실시예 1 내지 4의 전압에 따른 이온 전류를 측정한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 이온빔 소스에서 실시예 5 내지 7의 전압에 따른 방전 전류를 측정한 그래프이다.
도 7은 본 발명의 이온빔 소스에서 실시예 5 내지 7의 전압에 따른 이온 전류를 측정한 그래프이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 이온빔 소스에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이온빔 소스를 설명하기 위한 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시된 이온빔 소스를 설명하기 위한 단면도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 이온빔 소스(100)는 가스 방전을 이용하여 증착 공정 또는 식각 공정을 수행하기 위한 것으로, 몸체(110), 음극(120), 양극(130), 및 가스분배기(140)를 포함한다.

몸체(110)는 대략 직육면체 형상을 가지며, 상면에 일정한 깊이로 형성되는 내부 공간(111)을 갖는다. 일 예로, 내부 공간(111)은 몸체(110)의 연장 방향을 따라 연장된 링 형상을 가질 수 있다. 따라서, 몸체(110)의 상면은 내부 공간(111)에 의해 가장자리 부위와 중앙 부위로 구분될 수 있다. 몸체(110)는 금속 재질로 이루어진다.

몸체(110)는 가스 공급홀(미도시)을 갖는다. 상기 가스 공급홀은 몸체(110)의 하부면에서부터 몸체(110)를 관통하여 구비되며, 몸체(110)의 내부 공간(111)으로 상기 가스를 공급한다. 상기 가스 공급홀은 몸체(110)의 연장 방향을 따라 다수개가 일정 간격만큼 이격되도록 배치될 수 있다. 따라서, 상기 가스 공급홀을 통해 상기 가스를 내부 공간(111)으로 균일하게 공급할 수 있다.

음극(120)은 몸체(110)의 상면에 내부 공간(112)을 노출하도록 구비되며, 제1 음극(121) 및 제2 음극(122)을 포함한다.

제1 음극(121)은 몸체(110)의 상면 가장자리 부위를 따라 구비된다. 예를 들면, 제1 음극(121)은 링(ring) 형상을 갖는다.

제2 음극(122)은 몸체(110)의 상면 중앙 부위에 구비된다. 예를 들면, 제2 음극(122)은 바(bar) 형상을 갖는다.

제1 음극(121)과 제2 음극(122)은 서로 일정한 간격만큼 이격되어 배치되며 개구(123)를 형성한다. 제1 음극(121)과 제2 음극(122) 사이의 개구(123)를 통해 몸체(110)의 내부 공간이 노출된다. 개구(123)를 통해 이온화된 가스가 이온빔 형태로 인출될 수 있다. 이때, 개구(123)는 상기 일 방향으로 연장된 링 형상을 갖는다.

제1 음극(121)과 제2 음극(122)의 저면에는 몸체(110)와의 결합을 위한 제1 체결홈(121a) 및 제2 체결홈(122a)이 구비된다. 제1 체결홈(121a) 및 제2 체결홈(122a)은 각각 한 개의 홈이 연장된 형태를 가질 수 있다. 구체적으로, 제1 체결홈(121a)은 링 형상을 가지며, 제2 체결홈(122a)은 바 형상을 갖는다.

다른 예로, 제1 체결홈(121a) 및 제2 체결홈(122a)은 각각 다수 개의 홈이 일정 간격으로 배열된 형태를 가질 수 있다. 구체적으로, 제1 체결홈(121a)은 다수개의 홈들이 링 형상을 가지도록 배열되며, 제2 체결홈(122a)은 다수개의 홈들이 바 형상을 갖도록 배열된다. 이 경우, 몸체(110)의 상면도 제1 체결홈(121a) 및 제2 체결홈(122a)의 형태와 대응하는 형상을 갖는다.

제1 체결홈(121a) 및 제2 체결홈(122a)은 몸체(110)의 상면을 수용한다. 제1 체결홈(121a) 및 제2 체결홈(122a)의 공차는 약 0.3 mm 이하인 것이 바람직하다. 제1 체결홈(121a) 및 제2 체결홈(122a)을 이용하여 제1 음극(121)과 제2 음극(122)을 몸체(110)의 상면에 정확하게 위치시킬 수 있다. 제1 음극(121) 및 제2 음극(122)의 길이가 약 2000 mm 이상으로 길더라도 제1 체결홈(121a) 및 제2 체결홈(122a)이 몸체(110)의 상면을 수용함으로써 음극(120)을 몸체(110)에 정확하게 위치시킬 수 있다.

또한, 몸체(110)에 자성체(미도시)가 내장되는 경우, 상기 자성체의 자력으로 인해 금속 재질의 제1 음극(121)과 제2 음극(122)을 몸체(110)의 상면에 정확하게 위치시키기 어렵다. 그러나, 제1 체결홈(121a) 및 제2 체결홈(122a)을 이용하면 몸체(110)에 상기 자성체가 내장되더라도 제1 음극(121)과 제2 음극(122)을 몸체(110)의 상면에 정확하게 위치시킬 수 있다.

제1 음극(121)과 제2 음극(122)을 몸체(110)의 상면에 정확하게 위치시킬 수 있으므로, 제1 음극(121)과 제2 음극(122) 사이의 간격을 일정하게 유지할 수 있다. 또한, 음극(120)과 양극 사이의 간격도 일정하게 유지할 수 있다.

한편, 음극(120)은 외부로부터 전원과 연결되지 않고, 접지되지도 않은 부유(floating) 상태를 유지한다. 몸체(110)는 음극(120)과 결합되므로 몸체(110)도 음극(120)으로 작용한다. 따라서, 음극(120)과 연결된 몸체(120)도 마찬가지로 부유 상태를 유지한다.

양극(130)은 몸체(110)의 내부 공간(111)에 구비된다. 양극(130)은 몸체(110) 및 음극(120)과 이격되도록 배치된다. 이때, 양극(130)과 몸체(110) 사이의 간격과 양극(130)과 음극(120) 사이의 간격은 동일할 수 있다. 양극(130)은 몸체(110)의 연장 방향과 동일한 방향으로 연장된 링 형상을 갖는다.

양극(130)은 외부의 전원과 연결된다. 따라서, 양극(130)은 외부로부터 인가되는 구동 전원과 연동하여 음극(120)과 양극(130) 사이의 공간에서 전기장을 발생한다. 상기 전기장에 의해 상기 가스가 플라즈마 상태의 이온빔으로 여기된다.

음극(120)이 부유 상태이므로 양극(130)에 구동 전원이 인가되더라도 음극(120)과 양극(130)은 부위 전위 상태를 유지한다. 따라서, 이온빔 소스(100)의 표면, 예를 들면 몸체(110), 음극(120) 및 양극(130)의 표면에 도전성 물질이 부착되어 상기 이온빔에 의해 상기 도전성 물질에 전하가 축적되더라도 상기 이온빔 소스(100)와 상기 도전성 물질 사이의 전위차가 크지 않아 아킹 발생을 줄일 수 있다.

가스 분배기(140)는 몸체(110)의 하부에 구비되며, 상기 가스 공급홀들과 연결된다. 가스 분배기(140)는 상기 가스를 균일하게 분배하여 상기 가스 공급홀들로 제공한다. 따라서, 상기 가스의 균일도를 향상시킬 수 있다.

도 3은 도 2에 도시된 이온빔 소스의 양극과 음극을 확대한 확대도이다.

도 3을 참조하면, 음극(120)은 양극(130)과 제1 간격만큼 이격된다. 이때, 제1 간격(a)은 약 1 내지 5 mm 일 수 있다.

상기 제1 간격(a)이 약 1 mm 미만인 경우, 음극(120)과 양극(130) 사이에 형성되는 이온빔 인출을 위한 플라즈마 방전 공간의 크기가 상대적으로 작아진다. 따라서, 상기 방전 전류가 충분히 증가하지 못하게 된다.

상기 제1 간격(a)이 약 5 mm를 초과하는 경우, 상기 방전 공간뿐만 아니라 상기 방전 공간 이외의 공간이 넓어지면서 원하지 않는 절연파괴가 일어난다. 따라서, 상기 플라즈마의 유동 불안정성이 야기되어 이상 방전이 발생하므로, 상기 이온빔 소스의 사용 안정성이 나빠지게 된다.

제1 음극(121)과 제2 음극(122)은 음극(120)에서 개구(123)를 형성하도록 제2 간격(b)만큼 이격된다. 개구(123)를 통해 상기 방전 공간에서 형성된 이온빔이 인출된다.

상기 제2 간격(b)이 약 1 mm 미만인 경우, 개구(123)의 크기가 너무 작아 상기 방전 공간에서 형성된 이온빔이 용이하게 배출되기 어렵다.

상기 제2 간격(b)이 약 5 mm를 초과하는 경우, 제1 음극(121)과 제2 음극(122) 사이가 과도하게 넓어져 상기 방전 전류의 감소가 일어나며, 이로 인해 상기 이온빔 전류의 감소가 발생한다.

따라서, 상기 제2 간격(b)은 약 1 내지 5 mm 인 것이 바람직하다.

또한, 제1 음극(121)과 제2 음극(122)은 개구(123)를 사이에 두고 서로 마주보는 측면(124)을 각각 갖는다. 제1 음극(121)과 제2 음극(122)은 측면(124)에 각각 제1 경사부(124a), 수직부(124b) 및 제2 경사부(124c)를 갖는다. 또한, 제1 음극(121)과 제2 음극(122)은 각각 양극(130)과 마주보는 저면(125)을 갖는다.

제1 경사부(124a)는 제1 음극(121) 및 제2 음극(122)의 측면(124)과 저면(125)이 만나는 모서리 부위에 형성된다. 제1 경사부(124a)로 인해 개구(123) 부위에서 음극(120)과 양극(130) 사이의 간격이 상기 제1 간격보다 넓어지므로, 상기 방전 공간을 확장할 수 있다. 이때, 개구(123) 부위를 제외한 나머지 부위에서 음극(120)과 양극(130) 사이의 간격은 제1 간격으로 일정하게 유지된다.

상기 방전 공간이 확장되는 경우, 자기장에 의해 구속되어 이동하는 전자가 중성입자와 충돌할 수 있는 공간이 증가하여 상대적으로 상기 방전 전류가 증가한다. 따라서, 상기 방전 공간에서 플라즈마 발생을 증대하여 이온빔의 인출량을 증가시킬 수 있다. 그러므로, 상기 이온 빔을 이용한 공정 속도를 향상시킬 수 있다.

제1 경사부(124a)가 형성될 때, 제1 음극(121)의 저면(125)과 제2 음극(122)의 저면(125)은 제3 간격(c)만큼 이격된다.

상기 제3 간격(c)이 상기 제2 간격(b)과 동일하거나 상기 제2 간격보다 약 1mm 미만 만큼 큰 경우, 상기 방전 공간을 충분히 넓게 하기 어렵다. 또한, 상기 방전 공간을 충분히 넓게 하기 위해서는 개구(123)뿐만 아니라 개구(123)를 제외한 나머지 부위에서 음극(120)과 양극(130) 사이의 간격을 제1 간격보다 넓게 해야 한다. 이 경우, 이상 방전 또는 불안정 방전을 초래할 수 있다.

상기 제3 간격(c)이 상기 제2 간격(b)보다 약 6mm를 초과하는 만큼 큰 경우, 상기 방전 공간이 과도하게 넓어져 절연 파괴가 일어나거나, 수직부(124b)의 두께가 상대적으로 얇아질 수 있다. 따라서, 음극(120)이 상기 인출되는 이온빔에 의한 식각이나 스퍼터링에 쉽게 손상되어 제1 음극(121)과 제2 음극(122) 사이의 제2 간격이 쉽게 넓어질 수 있다. 따라서, 상기 방전 전류의 감소가 일어나며, 이로 인해 이온빔 전류도 감소한다. 또한, 음극(120)이 쉽게 손상됨으로써 음극(120)의 교체 주기가 단축되어 교체 비용이 증가할 수 있다.

따라서, 상기 제3 간격(c)은 제2 간격(b)과 동일하거나 상기 제2 간격(b)보다 약 6mm 이내만큼 클 수 있다. 상기 제2 간격(b)이 약 1 내지 5 mm 이므로, 상기 제3 간격(c)은 약 1 내지 11mm 일 수 있다. 보다 바람직하게 상기 제3 간격(c)은 제2 간격(b)보다 약 4mm만큼 클 수 있다. 즉, 상기 제3 간격(c)은 약 5 내지 9mm 인 것이 보다 바람직하다.

제1 경사부(124a)의 높이(d)가 약 5 mm를 초과하는 경우, 상기 방전 공간이 과도하게 넓어지면서 절연 파괴가 일어나거나, 음극(120)의 두께가 과도하게 두꺼워질 수 있다.

따라서, 제1 경사부(124a)의 높이(d)는 0 내지 5 mm인 것이 바람직하다. 이때, 제1 경사부(124a)의 높이(d)가 0인 경우는 제1 경사부(124a)가 존재하지 않는 상태를 의미한다.

수직부(124b)는 제1 음극(121) 및 제2 음극(122)의 측면(124)에서 제1 경사부(124a)의 상방에 제1 경사부(124a)와 연속하도록 배치된다. 제1 음극(121) 및 제2 음극(122)의 수직부(124b) 사이의 간격이 상기 제2 간격(b)이 된다.

수직부(124b)의 높이(e)가 0.5 mm 보다 낮은 경우, 제1 음극(121)과 제2 음극(122)의 수직부(124b)가 상기 인출되는 이온빔에 의한 식각이나 스퍼터링에 쉽게 손상되어 제1 음극(121)과 제2 음극(122) 사이의 제2 간격(b)이 쉽게 넓어질 수 있다.

수직부(124b)의 높이(e)가 3 mm 보다 높은 경우, 발생된 방전전류가 빔 형태로 인출되어 나오면서 음극(120)의 수직부(124b)에서 부딪혀 손실된다. 또한, 상기 빔이 음극(120)과 충돌하면서 음극(120)의 물질이 스퍼터링되어 나오기 때문에 음극(120)의 수명을 단축시킬 수 있으며, 상기 스퍼터링된 물질이 불순물로 작용할 수 있다.

그러므로, 수직부(124b)의 높이(e)는 약 0.5 내지 3 mm 일 수 있다.

제2 경사부(124c)는 제1 음극(121) 및 제2 음극(122)에서 저면(125)과 반대되는 상면과 측면(124)이 만나는 모서리 부위에 형성된다. 즉, 경사부(124c)는 제1 음극(121) 및 제2 음극(122)의 측면(124)에서 수직부(124b)의 상방에 수직부(124b)와 연속하도록 배치된다. 제2 경사부(124c)에 의해 개구(123)를 통해 인출되는 이온빔이 용이하게 확산될 수 있다.

실시예

실시예	a(mm)	b(mm)	c(mm)	d(mm)	e(mm)
1	2	2	0	0	1
2	2	2	6	1	1
3	2	2	6	2	1
4	2	2	6	3	1
5	2	1.5	5.5	2	1
6	2	2	6	2	1
7	2	2.5	6.5	2	1

표 1에서 a는 이온빔 소스(100)에서 음극(120)과 양극(130) 사이의 제1 간격이고, b는 제1 음극(121)과 제2 음극(122) 사이의 제2 간격이고, c는 제1 음극(121)의 저면(125)과 제2 음극(122)의 저면(125) 사이의 제3 간격이고, d는 제1 경사부(124a)의 높이이고, e는 수직부(124b)의 높이이다.

표 1을 참조하면, 실시예 1 내지 4에서 a는 2mm, b는 2mm, e는 1mm로 일정하고, d는 0mm에서부터 1mm 씩 점차적으로 증가하고, 실시예 5 내지 7에서 a는 2mm, d는 2mm, e는 1mm로 일정하고, b는 1.5mm에서부터 0.5mm 씩 점차적으로 증가하고, c는 5.5 mm에서부터 0.5mm 씩 점차적으로 증가한다.

도 4는 본 발명의 이온빔 소스에서 실시예 1 내지 4의 전압에 따른 방전 전류를 측정한 그래프이고, 도 5는 본 발명의 이온빔 소스에서 실시예 1 내지 4의 전압에 따른 이온 전류를 측정한 그래프이다. 이때, 방전 가스로 아르곤 가스가 12 sccm 주입되고, 상기 이온 전류는 이온빔 소스와의 거리가 150 mm인 지점에서 측정되었다.

도 4 및 도 5를 참조하면, 상기 이온빔 소스에 동일한 전압이 가해질 때 d가 커짐에 따라 대체적으로 상기 정전 전류 및 상기 이온 전류가 증가함을 알 수 있다. 즉, d의 높이가 높아져 방전 공간이 증가함에 따라 상기 방전 전류 및 상기 이온 전류도 증가함을 알 수 있다.

도 6은 본 발명의 이온빔 소스에서 실시예 5 내지 7의 전압에 따른 방전 전류를 측정한 그래프이고, 도 7은 본 발명의 이온빔 소스에서 실시예 5 내지 7의 전압에 따른 이온 전류를 측정한 그래프이다. 이때, 방전 가스로 아르곤 가스가 12 sccm 주입되고, 상기 이온 전류는 이온빔 소스와의 거리가 150 mm인 지점에서 측정되었다.

도 6 및 7을 참조하면, 상기 이온빔 소스에 동일한 전압이 가해질 때 b와 c가 커짐에 따라 대체적으로 상기 방전 전류 및 상기 이온 전류가 감소함을 알 수 있다. 즉, b 및 c가 커져 제1 음극과 제2 음극 사이의 간격이 커지면 상기 방전 전류 및 상기 이온 전류가 감소함을 알 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 이온빔 소스는 양극과 음극 사이의 간격은 일정하게 유지하면서 상기 음극의 제1 경사부를 이용하여 이온빔 인출을 위한 플라즈마 방전 공간만을 확장한다. 따라서, 절연파괴로 인한 이상 방전없이 방전 전류 및 전력을 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 이온빔 소스는 상기 음극에 수직부를 구비하여 상기 인출되는 이온빔에 의해 상기 음극이 식각되거나 스퍼터링되더라도 제1 음극과 제2 음극 사이의 간격이 넓어지는 것을 늦출 수 있다. 그러므로, 상기 음극의 교체 주기를 길게 함으로써 상기 이온빔 소스의 수명을 연장시킬 수 있다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

100 : 이온빔 소스 110 : 몸체
120 : 음극 130 : 양극
140 : 가스 분배기

Claims

양극; 및
방전 공간을 형성하기 위해 상기 양극의 상방에 제1 간격만큼 이격되도록 제1 음극 및 제2 음극이 배치되고, 상기 제1 음극 및 제2 음극은 상기 방전 공간에서 형성된 이온빔을 인출하기 위해 서로 제2 간격만큼 이격되는 음극을 포함하고,
상기 제1 음극 및 제2 음극은 각각, 상기 방전 공간을 확장하기 위해 상기 양극과 마주보는 저면과 상기 제1 음극과 상기 제2 음극이 서로 마주보는 측면이 만나는 모서리에 제1 경사부를 갖는 것을 특징으로 하는 이온빔 소스.
제1항에 있어서, 상기 제1 음극 및 제2 음극은 각각, 상기 제1 음극과 상기 제2 음극이 서로 마주보는 측면에서 상기 제1 경사부와 연속하도록 상기 제1 경사부의 상방에 배치되는 수직부를 갖는 것을 특징으로 하는 이온빔 소스.
제2항에 있어서, 상기 제1 음극 및 제2 음극은 각각, 상기 인출되는 이온빔의 확산을 위해 상기 제1 음극과 상기 제2 음극이 서로 마주보는 측면에서 상기 수직부와 연속하도록 상기 수직부의 상방에 배치되는 제2 경사부를 갖는 것을 특징으로 하는 이온빔 소스.
제2항에 있어서, 상기 제1 경사부의 높이는 0 내지 5 mm이며, 상기 수직부의 높이는 0.5 내지 3 mm인 것을 특징으로 하는 이온빔 소스.
제4항에 있어서, 상기 제1 간격은 1 내지 5 mm 이며, 상기 제2 간격은 1 내지 5mm인 것을 특징으로 하는 이온빔 소스.
제5항에 있어서, 상기 제1 음극의 저면과 상기 제2 음극의 저면은 제3 간격만큼 이격되며, 상기 제3 간격은 1 내지 11mm인 것을 특징으로 하는 이온빔 소스.