KR20220083807A - 부분 강자성 애노드가 있는 듀오플라즈마트론 이온 소스 - Google Patents

부분 강자성 애노드가 있는 듀오플라즈마트론 이온 소스 Download PDF

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KR20220083807A
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피터 윌리엄스
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아리조나 보드 오브 리젠츠 온 비하프 오브 아리조나 스테이트 유니버시티
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Abstract

부분 강자성 애노드를 갖는 듀오플라즈마트론 이온 소스는 2차 이온 질량 분석기 및 입자 가속기용 음이온 생성을 포함하여 여러 응용 분야에서 사용할 수 있다. 부분 강자성 애노드 인서트에서 구현될 수 있는 부분 강자성 애노드는 접합부에서 함께 결합된 강자성 부분과 비강자성 부분을 포함하며, 이온 추출 구멍은 강자성 부분에 정의되고 접합부는 구멍에서 측방향으로 오프셋된다. 부분 강자성 영역에 의해 생성된 비대칭 자기장은 듀오플라즈마트론 이온 소스에서 소스 플라즈마의 가장 강한 중심 영역에서 하전된 이온의 추출을 용이하게 한다. 애노드의 강자성 원추형 부분은 이 구멍 근처에서 자기장을 최대화하기 위해 이온 추출 구멍을 정의한다.

Description

부분 강자성 애노드가 있는 듀오플라즈마트론 이온 소스
본 출원은 에너지 이온빔 생성을 위한 이온 소스에 관한 것이다.
정부 지원
본 발명은 국립과학재단에서 수여한 1819550에 따른 정부 지원으로 이루어졌다. 정부는 본 발명에 대한 특정 권리가 있다.
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2019년 10월 24일자로 출원된 미국 가특허 출원 제62/925,280호에 대한 우선권을 주장하며, 상기 출원의 전체 내용은 본 명세서에 인용에 의해 포함된다.
듀오플라즈마트론은 1950년대 동독의 만프레드 폰 아르덴(Manfred von Ardenne)이 발명한, 에너지 이온빔 생성을 위해 널리 사용되는 양이온 및 음이온 소스이다(예를 들어, 1956 Tabellen der Elektronenphysik, Ionenphysik und Ubermikroskopie. Bd. 1. Hauptgebiete VEB Dt. Verl. d. Wissenschaften 참조). 오늘날 듀오플라즈마트론은 2차 이온 질량 분석기에서 스퍼터링된 2차 이온을 생성하기 위한 산소 양이온(O+) 및 산소 음이온(O-)의 생성과 입자 가속을 위한 수소 양이온(H+) 및 수소 음이온(H-) 생성에 널리 사용되고 있다.
듀오플라즈마트론 이온 소스는 3가지 주요 구성으로 구성된 가스 방전 장치이다: (a) 전자 방출 캐소드; (b) 중간 또는 사이(Zwischen) 전극(Z-전극); 및 (c) 방전에서 이온이 추출되는 작은 이온 추출 구멍(aperture)이 있는 양으로 하전된 애노드. 캐소드는 필라멘트 캐소드 또는 플라즈마를 형성하기 위해 가스가 도입되는 진공 챔버 내의 중공 캐소드일 수 있다. 기존의 Z-전극 및 애도느는 일반적으로 강자성 금속(일반적으로 각각 니켈 및 연철 또는 연강)으로 제조되며 전류를 전달하는 외부 구리 와이어 코일 또는 외부 영구 자석에 의해 구동되는 자기 회로의 반대 극을 형성한다. Z 전극의 기능은 전류가 Z 전극의 작은 구멍(예를 들어 직경 1.5mm)을 통과하도록 강제하여 방전을 집중하고 Z 전극의 구멍을 빠져나가는 수렴 자기장을 통해 전류를 더욱 집중하는 것이며, 그러한 장(field)은 Z-전극에서 방출된 전자가 Z-전극의 구멍의 중심축을 향해 수렴하도록 한다.
대부분의 상업용 2차 이온 질량 분석기에 사용되는 듀오플라즈마트론 이온 소스는 강자성 애노드 인서트에 3밀리미터(mm) 직경 구멍(hole)으로 압입되는 몰리브덴과 같은 내화 금속의 금속 디스크를 통해 천공된 400마이크론(㎛) 직경의 구멍을 갖는 애노드를 사용한다. 몰리브덴은 비강자성이기 때문에 애노드 자극편에 직경 3mm의 자성 구멍(magnetic hole)을 만들고 이는 자기장을 확장하는 역할을 하여 자기 Z 전극의 자기장 집중 기능을 왜곡하고 다소 무효화한다.
방전으로부터의 이온은, 접지된 추출 전극을 애노드의 이온 추출 구멍 외부에 일정 거리(일반적으로 약 1cm)에 배치하면서(즉, Z 전극에서 먼 쪽), 듀오플라즈마트론 이온 소스를 수 킬로볼트의 양 또는 음의 전위로 부유시키는 고전압 전원 공급 장치를 사용하여 추출된다
전통적인 디자인에 따른 듀오플라즈마트론이 음이온, 일반적으로 수소(H-) 또는 산소(O-, O2-) 가스를 생성하는 데 사용될 때 어려움이 발생한다. 방전의 전자 밀도는 음이온 밀도보다 몇 배 더 크기 때문에 추출된 전자 전류는 고전압 전원 공급 장치의 전류 용량을 크게 초과할 수 있으며, 이로 인해 고전압 전위가 떨어지고 이온 소스는 고가의 고전류, 고전압 전원을 사용하지 않으면 작동하지 않는다.
전자 추출의 문제를 완화하기 위해, Z 전극 구멍의 축 중심과 애노드의 이온 추출 구멍이 서로 변위되도록 Z 전극을 측방향으로 병진시키는 것이 일반적이다. 이것은 Lawrence(1965, Nuclear Instruments and Methods 32:357-359)가 제안한 Z 전극 구멍을 나가는 방전 주변에 음이온이 집중된다는 믿음에 기초한다. 실제로 방전의 전자 및 양이온과 유사하게 방전의 음이온도 Z 전극 구멍의 축과 동일선상에 있는 방전의 중심에 집중된다. 중심에서 벗어난 Z 전극의 효과는 애노드의 이온 추출 구멍에서 추출된 전자를 편향시키며, 추출된 전자가 접지 전극에 도달하여 전원 공급을 소모(drain)하는 것을 방지하는 자기장에 비대칭을 생성하는 것이다. 그러나 이온 추출 구멍과 동일선상으로 배열되지 않은 Z 전극 구멍은 따라서 방전 중심에서 더 강한 음이온 빔을 추출할 가능성을 희생한다.
따라서, 당업계에 공지된 이온 소스와 관련된 제한을 해결하는 이온 소스에 대한 필요성이 존재한다.
듀오플라즈마트론 이온 소스, 듀오플라즈마트론 이온 소스용 부분 강자성 애노드, 및 듀오플라즈마트론 이온 소스용 부분 강자성 애노드의 제조 방법이 제공된다. 듀오플라즈마트론 이온 소스는, 2차 이온 질량 분석기 및 입자 가속기를 비롯한 여러 응용 분야에서 이온 소스로 사용할 수 있다. 애노드는 이온 추출 구멍으로부터 측방향으로 오프셋된 접합부에서 비강자성 부분과 결합된 강자성 부분을 포함하는 부분 강자성 영역을 포함한다. 부분 강자성 영역의 대부분은 강자성 재료를 포함할 수 있다. 작동 시, 부분 강자성 애노드 영역은 이온 추출 구멍을 나가는 전자를 편향시킬 수 있는 자기장을 생성하도록 구성되어, 이온 추출 구멍으로부터의 전자가 듀오플라즈마트론 이 작동하도록 구성된 접지된 전극과 접촉하도록 이동하는 것을 감소시키거나 제거한다.
일 양태에서, 본 개시내용은 접지된 전극에 근접하게 위치되도록 구성된 듀오플라즈마트론 이온 소스에 관한 것으로, 듀오플라즈마트론 이온 소스는 캐소드, 애노드, 및 캐소드와 애노드 사이에 배치된 사이 전극(Z-전극)을 포함한다. 상기 Z 전극은 Z 전극 구멍을 정의한다. 상기 애노드는 접합부에 비강자성 부분과 결합된 강자성 부분을 포함하는 부분 강자성 영역을 포함하고, 상기 강자성 부분은 이온 추출 구멍을 정의하고, 상기 접합부는 상기 이온 추출 구멍으로부터 측방향으로 오프셋된다. 상기 부분 강자성 애노드 영역은 상기 이온 추출 구멍으로부터 전자가 접지된 전극과 접촉하도록 이동하는 것을 감소시키거나 제거하는 자기장을 생성하도록 구성된다.
어떤 실시예들에서, 상기 애노드는 부분 강자성 영역을 형성하는 제거 가능한 인서트를 포함한다. 어떤 실시예들에서, 상기 제거 가능한 인서트는 상기 애노드의 나머지 강자성 부분에 정의된 애노드의 나사형 수용 구멍과 체결되도록 구성된 나사형 표면을 포함한다.
어떤 실시예들에서, 상기 접합부는 상기 이온 추출 구멍으로부터 적어도 3 mm의 거리만큼(예를 들어, 어떤 실시예들에서 대략 5 mm의 거리만큼) 측방향으로 오프셋된다.
어떤 실시예들에서, 상기 강자성 부분 및 상기 비강자성 부분 각각은 금속성 물질(즉, 금속 또는 금속 합금으로 형성됨)이다. 어떤 실시예들에서, 상기 강자성 부분은 철 금속을 포함한다. 어떤 실시예들에서, 상기 비강자성 부분은 비강자성 스테인리스 스틸 합금을 포함한다.
어떤 실시예들에서, 상기 듀오플라즈마트론 이온 소스는 양이온 및/또는 음이온을 생성하도록 구성될 수 있다.
어떤 실시예들에서, 상기 듀오플라즈마트론 이온 소스는 음이온을 생성하도록 구성되며, 여기서 상기 Z-전극 구멍은 상기 이온 추출 구멍과 동축으로 정렬(또는 거의 동축으로 정렬)된다.
어떤 실시예들에서, 상기 부분 강자성 애노드 영역은 상기 Z-전극 구멍을 향해 볼록한 원추형 단면 형상을 갖는다. 상기 원추형 구조는 상기 이온 추출 구멍 위치에서 상기 Z 전극과 상기 애노드 사이에서 자기장 집중을 증가시킨다.
본 개시내용의 다른 양태는 접지된 전극에 근접하게 위치되고 자기 회로의 일부를 형성하도록 구성되는 듀오플라즈마트론 이온 소스용 부분 강자성 애노드에 관한 것이다. 부분 강자성 애노드는 접합부에서 비강자성 부분과 결합된 강자성 부분을 포함하는 부분 강자성 영역을 포함하며, 상기 강자성 부분은 이온 추출 구멍을 정의하고; 상기 접합부는 상기 이온 추출 구멍으로부터 측방향으로 오프셋되고, 그리고 상기 부분 강자성 영역은 이온 추출 구멍으로부터 전자가 접지된 전극과 접촉하도록 이동하는 것을 감소시키거나 제거하는 자기장을 생성하도록 구성된다.
어떤 실시예들에서, 상기 부분 강자성 애노드는 상기 부분 강자성 영역을 형성하는 제거 가능한 인서트를 포함한다. 어떤 실시예들에서, 상기 제거 가능한 인서트는 상기 부분 강자성 애노드의 나사형 수용 구멍과 체결되도록 구성된 나사형 표면을 포함한다.
어떤 실시예들에서, 상기 부분 강자성 영역은 상기 부분 강자성 애노드의 나머지 부분과 일체로 형성된다.
어떤 실시예들에서, 상기 접합부는 상기 이온 추출 구멍으로부터 적어도 3 mm의 거리만큼(예를 들어, 어떤 실시예들에서 약 5 mm의 거리만큼) 측방향으로 오프셋된다.
어떤 실시예들에서, 상기 이온 추출 구멍을 정의하는 상기 부분 강자성 영역의 적어도 일부는 원추형 단면 형상을 가지며; 상기 부분 강자성 애노드는 이온 생성 방전을 포함하는 상류 영역과 이온이 상기 접지 전극을 향해 가속되는 하류 영역을 분리하고; 상기 부분 강자성 애노드는 상류 영역을 향한 방향으로 볼록하다.
다른 양태에서, 본 개시내용은 듀오플라즈마트론 이온 소스용 부분 강자성 애노드를 제조하는 방법에 관한 것이다. 상기 방법은 부분 강자성 스톡을 생성하기 위해 접합부에서 비강자성 재료를 강자성 재료와 결합하고; 상기 부분 강자성 스톡을 처리하여 부분 강자성 애노드 영역을 형성함을 포함하며, 여기서 상기 강자성 부분은 이온 추출 구멍을 정의하고, 상기 접합부는 상기 이온 추출 구멍에서 측면으로 오프셋된다.
어떤 실시예들에서, 상기 비강자성 재료를 상기 강자성 재료와 결합함은 강자성 금속을 비강자성 금속으로 땜질함을 포함한다.
어떤 실시예들에서, 상기 부분 강자성 스톡을 처리함은 상기 부분 강자성 애노드 영역의 적어도 일부를 원뿔 형상으로 형성함을 포함한다.
다른 양태에서, 본 명세서에 개시된 다양한 실시예에 따른 전술한 양태 및/또는 특징 중 임의의 것이 추가 이점을 위해 결합될 수 있다.
당업자는 첨부된 도면과 관련하여 바람직한 실시예들의 다음의 상세한 설명을 읽은 후에 본 개시내용의 범위를 인식하고 그의 추가 양태를 실현할 것이다.
본 명세서에 통합되고 본 명세서의 일부를 형성하는 첨부 도면은 본 개시내용의 여러 양태를 예시하고, 설명과 함께 본 개시내용의 원리를 설명하는 역할을 한다.
도 1은 본 개시내용의 하나 이상의 실시양태에 따른 예시적인 듀오플라즈마트론 이온 소스의 단면도이다.
도 2는 도 1의 듀오플라즈마트론 이온 소스의 사이 전극(Z-전극)의 개략도로서, Z-전극에 의해 제공되는 자기 집중의 기능을 예시한다.
도 3a는 도 1에 도시된 바와 같은 듀오플라즈마트론 이온 소스를 위한 부분 강자성 애노드 인서트의 측단면도이다.
도 3b는 도 3b의 부분 강자성 애노드 인서트의 저면도이다.
도 4는 도 3a 내지 도 3b에 따른 부분 강자성 애노드 인서트를 포함하는 애노드에 근접하게 배열된 Z-전극의 개략적인 횡단면도로서, 이온 추출 구멍의 하류 영역으로 비강자성 재료를 관통하는 자기장 라인을 함께 도시한다.
도 5는 도 1의 듀오플라즈마트론 이온 소스를 사용하는 이온 현미경에서 산소 음이온(O-) 이온 1차 빔 크기의 측정을 나타내는 그래프(Al+ 카운트 대 거리(㎛)).
도 6a는 도 6a의 듀오플라즈마트론 이온 소스와 시료를 이용하여 얻은 제1 이온 마이크로 프로브 이미지이다.
도 6b는 도 6b의 이미지의 색상 반전 버전이다.
도 6c는 도 1의 듀오플라즈마트론 이온 소스와 시료를 이용하여 얻은 제2 이온 마이크로 프로브 이미지이다.
도 6d는 도 6c의 이미지의 색상 반전 버전이다.
도 7은 도 6a의 시료 이미지에서 날카로운 모서리를 가로지르는 알루미늄 양이온(Al+) 이온 이미지 강도의 라인 스캔의 그래픽 표현이다.
도 8은 일 실시예에 따른 듀오플라즈마트론 이온 소스를 위한 부분 강자성 애노드를 제조하기 위한 공정을 예시하는 흐름도이다.
듀오플라즈마트론 이온 소스(duoplasmatron ion source), 듀오플라즈마트론 이온 소스용 부분 강자성 애노드(partially ferromagnetic anode), 및 듀오플라즈마트론 이온 소스용 부분 강자성 애노드의 제조 방법이 제공된다. 상기 애노드는 이온 추출 구멍(ion extraction aperture)으로부터 측방향으로 오프셋(offset)된 접합부(junction)에 비강자성 부분과 결합된 강자성 부분을 포함하는 부분 강자성 영역을 포함한다. 상기 부분 강자성 영역은 상기 이온 추출 구멍을 나가는 전자를 편향시킬 수 있는 자기장을 생성하도록 구성된다. 상기 이온 추출 구멍으로부터 오프셋된 강자성 부분과 비강자성 부분 사이의 접합부를 갖는 부분 강자성 애노드의 제공은 상기 이온 추출 구멍이 Z-전극 구멍과 동축으로 배열(또는 거의 동축으로 배열)되도록 허용한다. 상기 부분 강자성 애노드 영역에 의해 생성된 자기 비대칭은 상기 Z-전극 구멍과 동축으로 정렬된 상기 이온 추출 구멍에서 이온이 추출되도록 하는 동시에 접지 전극(상기 듀오플라즈마트론 이온 소스는 상기 접지 전극과 작동하도록 구성됨)으로의 전자의 이동을 억제한다.
후술하는 실시예들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 실시예들을 실시하고 실시예들을 실시하는 최선의 모드를 예시하는 데 필요한 정보를 나타낸다. 첨부된 도면들에 비추어 다음 설명을 읽을 때, 통상의 기술자는 본 개시의 개념을 이해하고 여기에서 특별히 다루지 않은 이러한 개념의 용용을 인식할 것이다. 이러한 개념 및 응용은 본 개시내용 및 첨부된 청구범위의 범위에 속하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등의 용어가 다양한 요소(element)를 설명하기 위해 본 명세서에서 사용될 수 있지만, 이러한 요소는 이러한 용어에 의해 제한되어서는 안된다는 것이 이해될 것이다. 이러한 용어는 한 요소를 다른 요소와 구별하는 데만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서, 제1 요소는 제2 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 요소도 제1 요소로 명명될 수 있다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, "및/또는"이라는 용어는 관련된 나열된 항목 중 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.
층, 영역, 또는 기판과 같은 요소가 다른 요소에 "상에" 있거나 "상으로" 확장되는 것으로 언급될 때, 그것은 다른 요소 "상에"에 바로 있거나 또는 "상으로" 바로 확장되거나 또는 중간에 요소도 존재할 수 있다. 대조적으로, 어떤 요소가 다른 요소 "상에 바로" 있거나 "상으로 바로" 확장되는 것으로 언급되는 경우 개재 요소가 존재하지 않는다. 마찬가지로, 층, 영역, 또는 기판과 같은 요소가 다른 요소의 "위에" 또는 "위로" 연장되는 것으로 언급될 때, 그것은 다른 요소 "위에 바로" 있거나 "위로 바로" 연장되거나 또는 개재 요소들이 해당 요소들 사이에 존재할 수 있음을 이해할 것입니다. 대조적으로, 어떤 요소가 다른 요소 "바로 위에" 또는 "바로 위로" 확장되는 것으로 언급되는 경우 중간 요소가 존재하지 않는다. 또한, 어떤 요소가 다른 요소에 "연결된" 또는 "결합된" 것으로 언급될 때, 그것은 다른 요소에 바로 연결되거나 결합될 수 있거나 또는 해당 요소들 사이에 개재하는 요소가 존재할 수 있음을 이해할 것이다. 이에 반해, 어떤 요소가 다른 요소에 "바로 연결된" 또는 "바로 결합된" 것으로 언급되는 경우에는 중간 요소가 존재하지 않는다.
"아래" 또는 "위" 또는 "상측" 또는 "하측" 또는 "수평" 또는 "수직"과 같은 상대적인 용어는 도면에 도시된 바와 같이 요소, 층 또는 영역과 다른 요소의 관계를 설명하기 위해 여기에서 사용될 수 있다. 이들 용어 및 위에서 논의된 용어는 도면에 도시된 방향에 더하여 장치의 상이한 방향을 포함하도록 의도된다는 것이 이해될 것이다.
"약", "대략"과 같은 본 명세서에서 사용된 대략적인 용어는 통상의 기술자에 의해 이해되는 바와 같이 주어진 값에 대한 적절한 범위를 정의하는 것으로 이해되어야 한다. 달리 정의되지 않는 한, 이러한 용어는 제공된 값의 ± 5% 이내의 범위를 의미하는 것으로 정의된다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥이 명백하게 달리 나타내지 않는 한 복수 형태도 포함하는 것으로 의도된다. 본 명세서에서 사용될 때 용어 "포함하다", "포함하는", "구비한다" 및/또는 "구비하는"은 언급된 특징, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 구성요소의 존재를 지정하지만, 하나 이상의 다른 기능, 정수, 단계, 동작, 요소, 구성요소 및/또는 이들의 그룹의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
달리 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술적, 과학적인 용어 포함)는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 것과 동일한 의미를 갖는다. 본 명세서에 사용된 용어는 본 명세서 및 관련 기술 분야의 맥락에서 그 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며 본 명세서에서 명시적으로 정의되지 않는 한 이상화되거나 지나치게 형식적인 의미로 해석되지 않을 것임을 추가로 이해해야 한다.
본 명세서에 사용된 바와 같이, "강자성"(ferromagnetic)이라는 용어는 자기장에 대해 강한 인력을 나타내는 물질을 말하며, 예를 들면 철, 코발트, 니켈, 자철석(magnetite), 디스프로슘(dysprosium) 및 가돌리늄(gadolinium) 등을 포함하지만 이에 제한되지 않는다.
본 명세서에 사용된 바와 같이, "비강자성"(non-ferromagnetic)이라는 용어는 강자성 물질 이외의 물질을 지칭한다.
본 명세서에 사용된 바와 같이, "부분 강자성"(partially ferromagnetic)이라는 용어는 한 부분이 강자성이고 다른 부분이 비강자성인 요소(예를 들어, 애노드)를 지칭한다.
본 명세서에 사용된 바와 같이, 용어 "자기 회로"(magnetic circuit)는 자속을 포함하는 폐루프 경로를 말하며, 여기서 자속은 간극(gap)(예를 들어, Z-전극과 듀오플라즈마트론 이온 소스의 애노드 사이의 간극)을 통과할 수 있다.
부분 강자성 애노드(partially ferromagnetic anode)를 갖는 듀오플라즈마트론 이온 소스(duoplasmatron ion source)가 제공된다. 듀오플라즈마트론 이온 소스는 2차 이온 질량 분석기 및 입자 가속기를 비롯한 여러 응용 분야에서 이온 소스로 사용할 수 있다. 부분 강자성 애노드는 부분 강자성 애노드 인서트(insert)와 같은 부분 강자성 영역(partially ferromagnetic region)을 포함하는데 이는 부분 강자성 영역의 강자성 부분(ferromagnetic portion)을 통하는 이온 추출 구멍(ion extraction aperture)을 정의(defining)(형성)한다. 어떤 실시예들에 따른 애노드의 부분 강자성 영역(예를 들어, 부분 강자성 인서트)에서, 물질의 더 큰 질량 분율(mass fraction) 및 더 큰 부피 분율(volume fraction)은 강자성(비강자성과 대조적으로)일 수 있다. 부분 강자성 영역은 접합부에서 함께 결합되고 처리되어 이온 추출 구멍을 형성하는 강자성 부분 및 비강자성 부분을 갖는다. 이 부분 강자성 애노드 영역은, 이온 추출 구멍이 대응하는 Z 전극의 Z 전극 구멍(Z electrode aperture)과 동축으로 배열되는 경우에도, 이온 추출 구멍을 빠져나가는 전자를 편향시킬 수 있는 자기장을 생성하도록 구성된다. 이러한 편향(deflection)은 전자가 접지 전극 - 듀오플라즈마트론 이온 소스는 이 접지 전극과 작동함 - 에 도달하는 것을 방지한다. Z 전극 구멍과 이온 추출 구멍 사이의 동축 정렬은 듀오플라즈마트론 이온 소스에서 소스 플라즈마의 가장 강한 영역인 중심 영역에서 양이온 또는 음이온을 추출할 수 있도록 한다.
도 1은 본 개시내용의 실시예들에 따른 부분 강자성 애노드 영역을 이용할 수 있는 예시적인 듀오플라즈마트론 이온 소스(10)의 개략도이다. 듀오플라즈마트론 이온 소스(10)는 가스 공급원으로부터 이온 빔을 제공한다. 음으로 하전된 캐소드(cathode)(12)는 전극들을 진공 챔버(14)로 방출한다. 캐소드(12)는 전기적으로 가열된 금속 필라멘트(열이온 캐소드) 또는 가열되지 않은 금속 실린더로 구성된 중공 캐소드일 수 있다.
가스가 진공 챔버(14) 내로 도입됨에 따라(예를 들어, 캐소드(12) 내의 또는 이에 인접한 가스 공급 구멍을 통해), 이온화된 입자들의 플라즈마(16)가 가스 공급의 전자 충격(electron bombardment)을 통해 생성된다. 중간 또는 사"이"(Zwischen) 전극(예를 들어 Z-전극(18))은 Z-전극(18)의 출구와 애노드(22) 사이의 영역에서 수렴 자기장(converging magnetic field) 및 물리적 집중(physical constriction)으로 방전을 집중한다. 플라즈마(16)로부터의 양이온 및 음이온은 그 다음 이온 빔을 생성하기 위해 애노드(22)에 의해 정의된 이온 추출 구멍(20)을 통해 가속된다.
일부 예에서, 듀오플라즈마트론 이온 소스(10)는 캐소드(12)와 애노드(22)(예를 들어, 아크 전류 소스(24)에 의해 제공됨) 사이에 약 300볼트(V)의 전위차로 작동되며, 이는 듀오플라즈마트론 이온 소스(10)의 가스 압력이 대략 0.1 - 1 torr 정도일 때 아크 방전을 유지하기에 충분하다. 이온 추출 구멍(20)은 또한 차동 펌핑 구멍(differential pumping aperture)의 역할을 하여, 외부 가스 압력을 10-5 ~ 10-4 torr 범위로 유지하면서 아크 방전을 유지하기에 충분히 높은 내부 가스 압력을 허용하여, 추출된 이온이 듀오플라즈마트론 이온 소스(10) 외부의 가스와의 허용할 수 없는 양의 산란 충돌 없이 가속될 수 있도록 한다.
전체 듀오플라즈마트론 이온 소스(10)는 수 내지 수십 킬로볼트(kV) 정도의 가속 전위(accelerating potential)로 부유된다. 가속 전위의 극성에 따라, 애노드(22) 표면의 전자-이온 플라즈마(16)로부터의 양이온 또는 음이온은 이온 추출 구멍(20)을 빠져나갈 수 있고 이온 추출 구멍(20)의 외측 표면으로부터 짧은 거리(대략 센티미터 단위)에 위치한 접지 전위에서 추출 전극(26)을 향해 가속될 수 있다. 추출 전극(26)의 추출 전극 구멍(28)은 이온이 통과하여 이온 광학 컬럼(ion optical column)에 들어가는 것을 허용한다.
상기 듀오플라즈마트론 이온 소스(10)에 의한 특징은 방전을 집중하는 Z-전극(18)의 이중 역할이다. Z-전극(18)은 방전 전류의 통과가 제한되는 작은 전류 채널(small current channel)을 포함한다. 2차 이온 질량 분석기(SIMS) 기기에서 채널 직경은 1~2밀리미터(mm) 범위이지만 더 넓은 채널이 고전류 듀오플라즈마트론 이온 소스(10)에서 사용될 수 있다. 방전을 더 작은 단면적으로 제한하면 이온 전류 밀도가 증가하고 따라서 이온 추출 구멍(20)에서 플라즈마(16) 밀도가 증가한다. 중요하게는, 플라즈마(16)의 추가 집중은 강자성 금속(일반적으로 니켈)의 Z-전극(18)을 제조하고, 이를 애노드(22)와 Z 전극(18)이 자석의 두 극인 자기 회로(magnetic circuit)의 전극으로 만드는 것에 의해 달성되며, 두 전극 사이의 간극에서 강한 자기장이 생성된다(예를 들어 영구 자석 또는 전자석일 수 있는 하나 이상의 외부 자석(30)으로부터). 이 간극은 일반적으로 1-2mm 정도이다. Z 전극 채널과 애노드(22) 사이의 자기장은 Z 전극 채널에서 이온 추출 구멍(20)으로 연장되는 중심축을 향해 강하게 수렴되고, 이 수렴 자기장(converging magnetic field)은 중심 축을 향해 방전 플라즈마를 추가로 구성하고 더 나아가 이온 추출 구멍(20)을 가격(impact)하는 방전 전류 밀도를 증가시킨다.
일부 예에서, 듀오플라즈마트론 이온 소스(10)는 추가 구성요소를 포함한다. 예를 들어, 듀오플라즈마트론 이온 소스(10)는 자석(30) 또는 듀오플라즈마트론 이온 소스(10)의 다른 구성요소를 냉각하기 위한 하나 이상의 냉각제 채널(coolant channel)(32)을 포함할 수 있다.
예시적인 실시예에서, 캐소드(12)는 중공 캐소드이다. 애노드(22)는 부분 강자성 애노드 인서트(134)(즉, 종래의 애노드 인서트(34) 대신에)를 포함하며, 이를 통해 이온 추출 구멍(20)이 정의되고, 도 3a 및 도 3b와 관련하여 이하에서 추가로 설명된다. 듀오플라즈마트론 이온 소스(10)의 애노드(22)(예를 들어, 애노드 플레이트(anode plate)), 부분 강자성 애노드 인서트(34), 및 Z-전극(18)은 강자성 물질을 포함하고 자기 회로의 2개의 극(pole)을 형성한다. 일부 예에서, 애노드(22)는 연강(mild steel)으로 제조되고 Z-전극(18)은 니켈로 제조된다. 자기 회로의 연강 리턴 요크(mild steel retrun yoke)(도시되지 않음)는 자석(30)(예를 들어 자석 코일)의 외부 및 뒤를 통과하여 애노드(22)과 Z-전극(18)을 자기적으로 연결하고 또한 듀오플라즈마트론 이온 소스(10)의 진공 챔버(14)를 완성한다.
기존의 듀오플라즈마트론 소스에서, 이온 추출 구멍은, 완전 자성(예를 들어 완전 강자성) 애노드 인서트(본 명세서에 개시된 신규한 부분 강자성 애노드 인서트(34) 대신에)의 3mm 직경의 구멍(hole)으로 프레스-핏(press-fit)되는 몰리브덴과 같은 내화성(및 비강자성) 금속의 디스크(disc)("이온 추출 애노드 구멍 디스크")를 통해 천공된다. 따라서 애노드의 자극편(magnetic pole piece)에는 직경 3mm의 자성 구멍(magnetic hole)이 있다. 이 자성 구멍은 Z 전극 출구에서 수렴 자기장을 다시 발산하여 이온 추출 구멍을 가격하는 방전 전류 밀도를 줄이고 이온 추출 구멍을 통해 추출할 수 있는 이온 전류를 줄일 수 있다. 이에 본 발명의 한 측면은 이러한 자성 구멍의 존재 및 영향을 피하기 위한 것이다.
일부 예에서, 중공 캐소드(12)는 또한 니켈(따라서 강자성)이지만, 강자성 중공 캐소드(12)는 필요하지 않으며, 비강자성 캐소드 물질(예를 들어, 몰리브덴)도 사용될 수 있다. 니켈은 방전을 위해 2차 전자를 쉽게 방출하는 산화물 표면을 형성하기 때문에 니켈은 산소 방전으로 작동하는 데 선호될 수 있다. 애노드(22)로부터 캐소드(12)의 전기 절연은 캐소드(12)용 장착 플랜지(도시되지 않음)와 진공 챔버(14) 사이의 얇은 절연층(36)(예를 들어, 테플론 절연체 시트)으로 달성된다.
Z-전극(18)은 어셈블리로부터 추가로 절연되고 일반적으로 전기적으로 부유하도록 허용된다. 캐소드-플러스-Z-전극 어셈블리는, 애노드(22)를 캐소드(12)로부터 절연시키는 절연 층(36)(예를 들어, 테플론 시트(Teflon sheet)) 상에서 슬라이딩할 하면서, 진공 챔버(14) 외부의 나사에 의해 정축(on-axis) 및 비축(off-axis)으로 측방향으로 (예를 들어, 도면에서는 수직으로) 이동할 수 있다. 도 1은 이온 추출 구멍(20)이 Z-전극(18)의 Z-전극 구멍(38)의 에지와 정렬되도록, 수직 방향으로 변위된 캐소드(12) 및 Z-전극(18)의 어셈블리를 도시한다.
도 2는 도 1의 듀오플라즈마트론 이온 소스(10)의 Z-전극(18)의 개략도로서, Z-전극(18)에 의해 생성된 자기 집중(magnetic constriction)의 기능을 예시한다. Z-전극(18)에서 나오는 파선(19)은 자력선을 도시한다. 자기장의 기본 특징 중 하나는 평평한 자기 표면 근처에서 자기장이 표면에 수직이라는 것이다. 따라서, 애노드(22)의 표면에 평행한 Z-전극(18) 부분으로부터 나오는 역선(line of force)(즉, 도 2의 상부 및 하부)은 애노드(22)를 향해 수직으로 지향된다. Z-전극 구멍(38)의 내측 표면으로부터 나오는 역선(line of force)은 도시된 바와 같이 초기에 방사상 내측으로 지향된다. 역선은 서로 교차할 수 없으므로 도시된 바와 같이 구부러져 방전 시 전자에 강력한 집중 효과를 나타낸다.
캐소드(12)로부터 Z-전극 구멍(38)를 통해 이동하는 광전자는 역선 주위를 나선형으로, 따라서 역선을 따르도록 제한된다. 이것은 방전 전류에 상당한 추가 집중을 생성하고 따라서 이온 추출 구멍(20)의 영역을 가격하는 방전의 전류 밀도를 더욱 증가시킨다. 이온 추출 구멍이 Z 전극 구멍(38)과 동축으로 배열된다면, 기계적 및 자기적 집중은 함께 Z 전극(18)의 축을 따라 따라서 이온 추출 구멍(20)에서 높은 이온 밀도를 생성한다.
전통적인 디자인에서, 일부 비강자성 내화성 물질(예를 들어, 몰리브덴)로부터 이온 추출 구멍(20)을 정의하는 디스크를 제조하는 방식은 이온 추출 구멍(20) 근처에서 자기장의 일부 발산을 야기해야 하며, 이는 아크 밀도를 감소시키고 자성 Z-전극(18)의 수렴 기능을 다소 무효화할 수 있다.
비강자성 물질에 의해 정의된 이온 추출 구멍(20)을 갖는 전통적인 듀오플라즈마트론 디자인은 수소, 산소 및 아르곤과 같은 다양한 가스로부터 양이온의 생성을 위해 디자인된 바와 같이 기능할 수 있다. 그러나 방전에서 음이온(예를 들어 수소 음이온 또는 산소 음이온)을 추출하려는 경우 문제가 발생한다. Z 전극 애노드 구멍(38)이 이온 추출 구멍(20)과 동축으로 배열되면, 음이온 플럭스보다 1000배 이상 클 수 있고 고전압 전원 공급 장치에 과부하를 줄 수 있는 강력한 전자 플럭스가 방전에서 추출된다.
1965년 논문 (G. P. Lawrence, R. K. Beauchamp, and J. L. McKibben, Nucl. Instr. Methods 32, 357 (1965))에 따르면, 높은 아크 전류(2암페어(A))를 갖는 전통적인 수소 음이온(H-) 듀오플라즈마트론 소스를 사용하여, 약 65마이크로암페어(㎂)의 최대 H- 전류와 비교하여 최대 260밀리암페어(mA) 전류를 생성하였다. 애노드 이온 추출 구멍(20)에 중심을 둔 Z 전극 구멍(38)을 사용하여 높은 전자 전류가 얻어진 반면, 최대 이온 전류는 애노드 이온 추출 구멍(20)에서 오프셋된 Z 전극(18)을 사용하여 얻어졌다. 논문에서 설명되지 않는 이유로, Z-전극(18)이 이온 추출 구멍(20)의 중심에 있었을 때, H- 전류는 0으로 떨어졌다. 높은 전자 전류가 고전압 전원 공급 장치에 로드되어(load down), H- 빔이 상기 논문에 사용된 질량 분석기를 통과하는데 낮은 H- 이온 에너지가 옳지 않았을 가능성이 있다.
이러한 문제에 대해 보고된 해결책 중 하나는 이온 추출 구멍(20)에 대해 Z-전극(18)의 축을 옆으로 변위시키는 것이었다. 이는 전자 전류가 0.035인치(in)의 변위에서 0으로 떨어지게 하는 반면, H- 전류는 이 변위에서 최대 65㎂로 증가했다. 1965년 논문의 저자들은, H- 이온이 방전의 고강도 중심 코어를 둘러싸고 있는 확산 "쉬스" 영역(diffuse "sheath" region)에서 생성되고 있고 상대적으로 취약한 H- 이온(대략 0.7 전자볼트의 전자 친화도를 가짐)은 대부분이 이 중심 코어에서 파괴되었다고 추측했다. 이 쉬스 주장은 이후의 많은 논문에서 반복되었으며 듀오플라즈마트론은 이러한 추정되는 쉬스 이온을 구체적으로 추출하도록 다지인되었지만 소스 성능을 개선하는 데 거의 또는 전혀 성공하지 못했다. 이 주장은 사실 옳지 않다.
음이온을 추출하기 위해 Z-전극(18)을 옆으로 변위시키는 이 기술은 2차 이온 질량 분석에서 일반적인 관행이 되었으며, 이때 샘플의 대전이 최소화되기 때문에 절연 타겟을 스퍼터하기 위해 산소 음이온(O-)을 사용하는 것이 바람직하다. 2차 이온 질량 분석기 디자인(NanoSIMS, Cameca-Ametek, Paris, France)에서는, 디자인이 양(+)의 2차 이온의 극성과 반대인 1차 이온 극성을 필요로 하기 때문에, 양(+)의 2차 이온을 생성하기 위해 O- 1차 이온 빔을 사용하는 것이 필수적이다. 일반적으로 Z-전극(18) 변위 기술에 의해 생성된 O- 1차 이온 전류는 정축(on-axis) Z-전극(18)으로 생성된 양의 산소(O2 +) 이온 전류보다 약 10배 더 낮다. 결과적으로, 최소 집속 빔 크기도 양이온에 비해 음이온에 대해 저하된다. NanoSIMS 2차 이온 질량 분석기의 O- 1차 이온에 대한 최소 집속 빔 크기는 제조업체에서 200나노미터(nm)로 지정된다.
도 3a 및 도 3b는 각각 도 1의 부분 강자성 애노드 인서트(34)의 측단면도 및 저면 평면도이다. 부분 강자성 애노드 인서트(34)는 전통적인 자성 애노드 인서트를 전술한 비강자성(예를 들어, 몰리브덴) 이온 추출 구멍으로 대체한다. 부분 강자성 애노드 인서트(34)의 디자인은 쉬스 가정(즉, 음이온이 방전 주변에서만 생성되고 고강도 중심 영역에서 파괴된다는 아이디어)이 잘못되었다는 인식에서 파생되었다. 실제로, 아래에 보여지는 바와 같이, Z 전극(18)의 집중 효과로 인해 방전 축에서 양이온 및 음이온 모두 최대화된다. 전통적인 접근 방식 하의 Z 전극(18)의 변위(따라서 방전 축의 변위)는, 이온 추출 구멍(20)을 음이온 생성의 고밀도 영역과 정렬하지 않고, 대신에 음이온과 함께 추출된 전자를 편향시키는 역할을 하는 시스템에 자기 비대칭을 단순히 도입하여, 접지 전극에 닿지 않도록 하고 가속 전압 전원을 소모(drain)하지 않는다. 그러나 이러한 변위는 전통적인 접근 방식에서 이온 추출 구멍(20)이 더 이상 방전의 중심 부분, 가장 강렬한 부분을 샘플링하지 않는다는 것을 의미한다.
대조적으로, 도 3a 및 도 3b의 부분 강자성 애노드 인서트(134)는 강자성 부분(ferromagnetic portion)(140) 및 비-강자성 부분(non-ferromagnetic portion)(142)을 포함한다. 이 애노드 인서트(134)는 도 1의 듀오플라즈마트론 이온 소스(10)의 애노드 인서트(34) 대신에 사용될 수 있다. 이온 추출 구멍(120)은 강자성 부분(140)에 정의(형성)된다. 강자성 부분(140)과 비강자성 부분(142)은 부분 강자성 애노드 인서트(134)의 중심 선(도 1의 애노드(22)와 같은 애노드의 중심선과 동심)으로부터 측방향으로 오프셋(예를 들어, 도시된 실시예에서 5mm)된 접합부(juncture)(144)에서 결합된다. 접합부의 이러한 측면 오프셋으로 인해, 그리고 Z-전극(도 1에 도시된 18)이 애노드로부터 짧은 거리(예를 들어, 도 1에 도시된 실시예에서 2mm 이하)에 위치함으로 인해, 애노드(도 1의 22)와 Z-전극(도 1의 18) 사이의 간극(예를 들어, 1.5 내지 2mm)에서 자기장은 축 대칭으로부터 최소한으로 왜곡된다.
따라서, 부분 강자성 애노드 인서트(134)의 강자성 부분(140) 및 비강자성 부분(142)은, 이온 추출 구멍(120) 영역의 자기장이 부분 강자성 애노드 인서트(134)에 의해 야기되는 자기장 비대칭에 영향을 받지 않도록, 충분한 측면 오프셋을 갖는 접합부(144)에서 결합된다. 따라서, 부분 강자성 이온 애노드 인서트(134)가 듀오플라즈마트론 이온 소스(10)에 사용될 때, 이온 소스(10)는 최적의 축 대칭을 유지한다.
일부 예에서, 부분 강자성 애노드 인서트(134)는 원추 형상(예를 들어, 도 1의 Z-전극(18)을 향해 볼록한 원추 형상)으로 제조된다. 이것은 부분 강자성 애노드 인서트(134)를 포함하는 애노드(예컨대, 도 1의 애노드(22))의 중심을 향해 (예컨대, 이온 추출 구멍(120)이 위치되는 원뿔의 정점에서) 자기장을 집중시키도록 작용한다. 일부 예에서, 이온 추출 구멍(120)은, 자기장이 이온 추출 구멍(120)의 영역에 가능한 한 집중된 상태로 유지되도록, 부분 강자성 애노드 인서트(134)의 강자성 부분(140)을 직접 천공한다. 따라서, 전통적인 비강자성(예를 들어, 몰리브덴) 이온 추출 구멍 편(piece)에서와 같은 애노드(22)에 "자성 구멍"(magnetic hole)이 없다.
계속해서 도 3a 내지 도 3b를 참조하면, 부분 강자성 애노드 인서트(134)는 관형 부분(tubular portion)(154) 및 원추형 좁아지는 부분(conical tapered portion)(156)을 포함한다. 원추형 좁아지는 부분(156)은 외측 표면(151) 및 내측 표면(152)을 갖는다. 공동(cavity)(155)은 관형 부분(154) 및 원추형 좁아지는 부분(156)의 외측 표면(151)에 의해 그 경계가 형성된다. 도시된 바와 같이, 이온 추출 구멍(120)을 통해 정의할 수 있는 중심축과 관련하여, 원추형 좁아지는 부분(156)의 외측 표면(151)은 중심축에 수직으로부터 20도(즉, 어떤 실시예들에서는 (20±5)도) 각을 이룰 수 있다. 원추형 좁아지는 부분(156)의 내측 표면(152)은 중심축에 수직으로부터 10도(즉, 어떤 실시예들에서 (10±5)도) 기울어질 수 있다. 부분 강자성 애노드 인서트(134)는 듀오플라즈마트론 이온 소스의 애노드의 대응하는 내향 나사형 구멍(inwardly threaded aperture)(미도시) 내에 제거 가능하게 수용될 수 있도록 하는 외향 나사형 측면(outwardly threaded lateral surface)(158)을 더 포함한다. 도 3b를 참조하면, 관형 부분(154)은 부분 강자성 애노드 인서트(134)를 애노드의 나머지 강자성 부분에 나사 결합하는 것을 용이하게 하기 위해 도구(도시되지 않음)를 수용하는 데 사용될 수 있는 2개의 노치(notch)(162)를 정의하는 단부면(end surface)(160)을 갖는다. 도시된 바와 같이, 강자성 부분과 비강자성 부분(140, 142) 간의 접합부(144)는 어떤 실시예들에서 선형 인터페이스(liner interface)를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 비선형(예를 들어, 곡선형) 인터페이스가 제공될 수 있다. 어떤 실시예들에서, 접합부(144)는 땜질(braze) 또는 납땜(soldering) 인터페이스를 포함할 수 있다.
도 3a 내지 도 3b에 도시된 바와 같은 예시적인 실시에에서, 부분 강자성 애노드 인서트(134)는 30mm의 외경, 25mm의 내경 및 외향 나사형 측면(158)을 따라 10mm의 깊이를 갖는다. 이러한 치수는 본질적으로 예시적인 것임을 이해해야 하며 다른 실시예는 상이하게 크기가 정해질 수 있다. 이온 추출 구멍(120)은 또한 원하는 최종 용도에 따라 400㎛ 또는 600㎛와 같은 상이한 직경을 가질 수 있다.
어떤 실시예들에서, 부분 강자성 애노드 인서트(134)의 강자성 부분(140)은 연철(soft iron), 니켈, 연강(mild steel), 또는 다른 적절한 강자성 재료로 형성될 수 있다. 어떤 실시예들에서, 비강자성 부분(142)은 비강자성 스테인리스 강 합금 또는 강자성 부분(140)과 결합하기에 적합한 다른 적절한 비자성 재료로 형성될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 강자성 부분(140) 및 비강자성 부분(142)은 함께 땜질한 다음 기계로 가공한다. 다른 예들에서, 강자성 부분(140) 및 비강자성 부분(142)은 납땜, 용접, 몰딩, 접착제 등과 같은 다른 적절한 기술을 통해 결합될 수 있다.
부분 강자성 애노드 인서트(134)는 애노드(도 1의 22, 선택적으로 애노드 플레이트에 구현됨) 내에 인서트를 고정하는 것을 용이하게 하기 위해 나사산이 형성되거나 그와 달리 기계가공될 수 있다는 것이 인식되어야 한다. 어떤 실시예들에서, 부분 강자성 애노드 영역(134)은 애노드(22)와 일체로 형성되거나 그와 달리 결합할 수 있고, 이에 의해 이온 추출 구멍에 근접한 부분 강자성 영역을 제공할 수 있다.
도 4는 도 3a 내지 도 3b의 부분 강자성 애노드 인서트(134)를 포함하는 애노드(예를 들어, 애노드 플레이트)(22)에 근접하게 마련된 Z-전극(18)의 개략적인 횡단면도이다. 부분 강자성 애노드 인서트(134)의 외향 나사형 측면(158)은 애노드 플레이트(22)의 내향 나사형 구멍(57)에 수용된다. 부분 강자성 애노드 인서트(134)의 강자성 부분(140)에 정의된 이온 추출 구멍(120)은 Z 전극(18)에 의해 정의된 Z 전극 구멍(38) 근처에서 동축으로 정렬된다. 자기력선(19)은 Z 전극(18)으로부터 발산되는 자기장을 묘사한다. 도시된 바와 같이, 부분 강자성 애노드 인서트(134)의 강자성 부분(140)에 충돌하는 자기장 부분(19)은 캐비티(cavity)(155) 내로 연장되지 않는 반면, 자기장의 일부(19')는 비강자성 부분(142)을 통과하여 캐비티(155) 내로 들어가고 따라서 이온 추출 구멍(120)을 통과하는 전자의 궤적에 영향을 미칠 수 있고(예를 들어 전자를 편향시킬 수 있고), 접지된 전극(미도시)으로의 전자의 이동을 감소 또는 제거할 수 있다.
여기에 설명된 듀오플라즈마트론 디자인 또는 임의의 다른 디자인으로부터 추출될 수 있는 이온 전류의 크기는, 이온 추출 구멍 내에서 플라즈마의 전방 면(front surface)(Z 전극으로부터 멀리 떨어짐)에서의 전기장 강도에 따라 달라진다. 이 전계 강도는 애노드와 근처의 접지 전극 사이의 전압 차이와 이 두 구성요소 사이의 간격의 함수일 뿐만 아니라, 이온 추출 구멍의 세부 형상의 함수이기도 한다. 위에서 논의한 2차 이온 질량 분석기에서 사용되는 100mA 이하의 낮은 아크 전류의 경우 방전 플라즈마 인터페이스는 접지된 추출 전극에서 멀리 떨어진 이온 추출 구멍의 베이스에 위치한다. 전도성 금속의 구멍으로 침투하는 전기장은 침투 거리가 증가함에 따라 감쇠되는 것으로 알려져 있다. 현장에서 일반적으로 이해되는 근사치는 구멍 직경과 비슷한 깊이에서 전기장 강도가 약 10배 감소한다는 것이다. 따라서 이온 추출 구멍의 깊이가 직경과 비슷하면 플라즈마 방전에서 이온을 추출하는 역할을 하는 전기장이 10배만큼 감소할 수 있다. 따라서 이 구멍 깊이를 최소로 유지하는 것이 좋다. 여기에 설명된 일부 결과에서 구멍 깊이는 구멍 직경의 약 1/4에서 1/3 보다 크지 않으며, 600㎛ 직경의 경우 150 - 200㎛ 이다.
성능(Performance)
도 3a 및 도 3b의 부분 강자성 애노드 인서트(134)는 두 개의 2차 이온 질량 분석기(SIMS) 기기인 이온 현미경과 이온 마이크로프로브에서 O- 이온 빔 생성에 대해 평가되었다. 현미경의 요구 사항은 일반적으로 빠른 분석을 용이하게 하기 위해 (샘플에서 적절한 초점 크기를 가지면서) 큰 빔 전류이다. 이온 마이크로프로브에서는 신속한 분석도 중요하지만 샘플에서 가능한 가장 작은 초점(focused spot)을 맞추는 것이 바람직하다.
중요하게도, 이러한 평가로부터의 첫 번째 관찰은 양이온 및 음이온 모두에 대한 최대 추출된 이온 전류가 Z-전극(18)의 동일한, 대략 축상 위치에서 얻어졌다는 것이다. 이 발견은 위에서 설명한 "쉬스" 가설을 명확히 부정하고 도 3a 및 도 3b에 도시된 부분 강자성 애노드 인서트(134)의 디자인 철학을 입증하는 것이다.
이온 현미경 성능 : 이온 현미경은, 수백 마이크로미터 평방 영역에 걸쳐 라스터(rastered) 1차 이온 빔에 의해 샘플이 조명되고 스퍼터링된 2차 이온 빔 상에 작동하는 무비점수차(stigmatic) 이온 렌즈를 사용하여 이미징이 수행되는 이온 현미경 검사법이라는 이미징 접근 방식을 사용한다. 따라서 이미징을 위해 매우 작은 초점을 맞춘 1차 이온빔이 필요하지 않다. 대신에, 집중된 빔에서 달성 가능한 가장 높은 전류 밀도와 함께 달성 가능한 가장 높은 총 전류가 필요하다. 이온 현미경의 주요 분석 용도는 "깊이 프로파일링"(depth profiling)에 사용되는 것이며, 여기서 샘플의 여러 이온 종은, 바닥이 평평한 구덩이(crater)가 샘플로 침식될 때 시간의 함수로 모니터링된다.
이러한 깊이 프로파일의 1차 빔에 대한 요구 사항은 다음과 같다: (a) 측면 상에 대략 200㎛의 정사각형 영역에 대해 라스터될 때 균일한 바닥이 평평한 구덩이를 생성할 수 있는 합리적으로 잘 초점이 맞춰진 1차 이온 빔(약 10 - 30㎛ 직경); (b) 가능한 가장 빠른 분석을 달성하기 위해 10 - 30㎛ 빔 스폿에 최대 가용 전류; 및 (c) 샘플에 대한 1차 이온 종의 비교적 짧은 침투 깊이. 이러한 분석에서 달성할 수 있는 깊이 분해능은 침투 이온이 이 깊이 위로 표면 아래(subsurface) 원자를 변위시키고 혼합할 때 1차 이온 침투 깊이에 의해 제한된다. 깊이 분해능은 더 낮은 1차 이온 충격 에너지를 사용하여 향상될 수 있지만 에너지를 낮추면 1차 이온 성능이 손상될 수 있다 - 이온 소스로부터 이온 추출 효율이 감소하고 빔 포커싱이 낮은 에너지에서 나쁘다. 대안적인 접근법은 O2 -와 같은 분자 이온 종을 사용하는 것이다. 표면에 충돌하면 이 이온 종은 두 개의 독립적인 O 원자 이동체(projectile)가 생성되며, 각각은 초기 입자 에너지의 절반을 가지며 따라서 침투 깊이가 절반이다. 그러나 전통적인 듀오플라즈마트론 소스를 사용하면 O2 - 전류가 너무 낮아 유용하지 않다.
전통적인 듀오플라즈마트론 소스의 경우, 전형적인 최대 1차 전류 값(Ip)은 다음과 같다:
O2 + 최대 전류: ~1㎂
O- 최대 전류: ~1㎂
O2 - 최대 전류: ~ 200 - 300nA
O2 + 및 O-에 대한 데이터는 제조업체의 사양에 따른다.
이온 현미경 듀오플라즈마트론에 장착된 600㎛ 이온 추출 구멍(120)을 갖는 부분 자성 애노드 인서트(134)(그리고 전통적인 듀오플라즈마트론 소스와 동일하게 유지되는 다른 모든 1차 이온 컬럼 매개변수)를 사용하여, 다음 성능 수치가 달성되었다:
O2 + 최대 전류: ~6㎂
O- 최대 전류: ~6㎂
O2 - 최대 전류: ~1.8㎂
따라서 이러한 현재 성능 수치는 전통적인 듀오플라즈마트론 디자인보다 ~6배 더 우수하다.
도 5는 도 1의 듀오플라즈마트론 이온 소스(10)를 사용하는 이온 현미경에서O- 이온 1차 빔 크기의 측정값의 그래프 표현이다. 빔 전류 밀도를 결정하기 위해 포커싱된 O- 1차 빔 크기를 측정하였다. 빔 크기는 평평한 구리 디스크(disc)에 압착된 알루미늄 그리드(gride)를 사용하여 측정되었다. 그리드 바(grid bar)는 25㎛ 중심에서 8㎛ 두께이다. 도 5는 알루미늄 그리드 바의 가장자리를 가로질러 포커싱 O- 빔을 스캔하고 빔 위치의 함수로서 양(+)의 알루미늄(Al+) 2차 이온 수(count)를 모니터링한 단계 스캔 결과를 보여준다. 빔 크기의 허용되는 정의는 신호가 최대값의 84%에서 16%로 떨어지는 거리(distance)이다. 이는 빔 전류의 68%가 측정 범위 내에 있거나 가우스 빔 모양의 경우 ±1 표준 편차 내에 있음을 의미한다.
플롯(plot)의 빔 직경은 2.0㎛이다. 0.8nA의 빔 전류의 경우, 계산된 빔 전류 밀도는 25mA/cm2 이다. 이것은 아마도, Al 그리드 가장자리에 약간의 거칠기(roughness)가 있어야 하므로, 최소값일 것이다. 기존의 듀오플라즈마트론 소스에 대한 비교 가능한 공장 사양은 10mA/cm2 이다.
이온 마이크로프로브 성능 : 전통적인 듀오플라즈마트론 소스를 사용하는 이온 마이크로프로브에 대한 공장 사양은 다음과 같(빔 직경은 위에서 언급한 16%-84% 기준에 의해 정의됨):
샘플 표면에서 달성 가능한 최소 빔 직경 ≤ 200 nm
Ip = 2pA O-의 경우 빔 직경 ≤ 400nm
도 6a 및 도 6c는 도 1의 듀오플라즈마트론 이온 소스(10)를 사용하여 생성된 테스트 샘플의 이온 마이크로프로브로부터의 이미지이다. 이 이미지들은 400㎛ 이온 추출 구멍(120)이 있는 부분 강자성 애노드 인서트(134)를 사용하여 생성된 포커싱된 O- 빔으로 생성되었다. 테스트 샘플은 알루미늄 금속에 압착된 다음 평평한 표면으로 연마된 실리콘 입자로 구성된다. 도 6a 및 도 6c의 이미지는 10㎛ 정사각형 영역에 걸쳐 포커싱된 O- 이온 빔을 스캔하고 스퍼터링된 Al+ 및 양의(+) 실리콘(Si+) 2차 이온의 신호 강도를 모니터링하여 얻었다.
도 7은 도 6a의 테스트 샘플 이미지에서 날카로운 가장자리(edge)를 가로지르는 Al+ 이온 이미지 강도의 라인 스캔의 그래프 표현이다. 라인 스캔은 이미지의 왼쪽 상단 코너에 있는 가장자리를 가로질러 수행되었다. 위에서 언급한 84% - 16% 정의를 사용하여 빔 크기는 75nm로 계산된다. 이 측정의 1차 전류는 0.25pA 이었다. 전통적인 듀오플라즈마트론 소스(<200 nm)를 사용하는 가장 작은 빔 크기에 대한 전류는 제조업체에서 지정하지 않았지만 아마도 비슷한 범위에 있을 것이다.
도 7에 도시된 성능에 대한 빔 전류 밀도는 5.7mA/cm2 이다. 400nm 빔 직경에 대해 2pA의 기존 듀오플라즈마트론 소스 사양의 경우 전류 밀도는 1.6mA/cm2 이다. 동일한 조건에서 기존 듀오플라즈마트론 소스의 최대 전류는 250 - 300nA 이다; 부분 강자성 애노드 인서트(134)를 사용하여 1.2㎂의 O- 전류가 얻어졌다(이 최대 전류는 이온 현미경 수치와 다른데, 1차 이온 컬럼 디자인이 다르고 다른 이온 추출 구멍 직경이 사용되었기 때문이며, 동일한 기기에서 이루어진 비교만이 유효하다).
요약하면, 부분 강자성 애노드 인서트(134)의 성능 개선은 위에서 설명된 두 SIMS 기기 디자인 모두에서 매우 유사하다. 기존 듀오플라즈마트론 소스와 비교하여 최대 O- 전류는 4 - 6배 더 크다; 빔 전류 밀도는 이온 현미경에서 최소 2.5배, 이온 마이크로프로브에서 3배만큼 기존 듀오플라즈마트론 소스보다 크며, 이온 마이크로프로브에서 최소 빔 직경은 기존 듀오플라즈마트론보다 2.7배 작다.
이온 현미경의 최대 O2 + 전류는, 양이온 추출을 위해 두 소스 모두 축상 Z-전극(18)으로 작동되었던 경우에도, 전체 자성 애노드를 갖는 종래 듀오플라즈마트론 이온 소스와 비교하여 4 - 5배 향상된 것에 주목해야 한다. 이것은 부분 강자성 애노드 인서트(134)의 원추형 디자인의 결과일 수 있다.
도 8은 듀오플라즈마트론 이온 소스(10)를 위한 부분 강자성 애노드를 제조하기 위한 공정을 예시하는 흐름도이다. 공정은 부분 강자성 스톡(stock)(즉, 부분 강자성 애노드를 형성하기 위해 추가 공정이 필요한 피공작물)을 생성하기 위해 비강자성 물질을 강자성 물질과 결합하는 작업(700)에서 시작된다. 예시적인 양태에서, 비강자성 재료는 강자성 재료와 땜질된다. 공정은 작업(702)에서 계속하여, 이온 추출 구멍으로부터 측방향으로 오프셋된 비강자성 재료와 자성 재료 사이의 접합부를 포함하는 부분 강자성 애노드를 형성하기 위해 부분 강자성 스톡이 가공(예를 들어, 기계가공)된다.
비록 도 8의 작업들은 연속적으로 도시되어 있지만, 이것은 예시를 위한 것이며 작업들이 반드시 순서에 의존하는 것은 아니다. 일부 작업은 제시된 순서와 다른 순서로 수행될 수 있다. 예를 들어, 기계가공의 적어도 일부는 비강자성 재료를 강자성 재료와 결합하기 전에 수행될 수 있다. 또한, 본 개시의 범위 내의 공정들은 도 8에 예시된 단계보다 적거나 더 많은 단계를 포함할 수 있다.
도 5 내지 도 8과 관련하여 위에서 설명한 바와 같이, 도 3a 및 도 3b의 부분 강자성 애노드 인서트(134)를 갖는 도 1의 듀오플라즈마트론 이온 소스(10)는 2차 이온 질량 분석기 및 입자 가속기를 포함한 여러 응용 분야에 유용하다. 부분 강자성 애노드 인서트(134)는, 이온 추출 영역에서 (예를 들어, 이온 추출 구멍(120)과 Z-전극(18) 사이에서) 비대칭 자기장을 생성하기 위해, 땜질된 (또는 다른 방식으로 접합된) 부분 강자성(예를 들어 연철) 및 비강자성(예를 들어 321 스테인리스 강 합금) 부분 강자성 스톡으로부터 제조될 수 있다.
강자성 부분(도 3a-3b의 140)과 비강자성 부분(도 3a-3b의 142) 사이의 접합부는 중심에서 충분히 멀리 떨어져 있어(예를 들어, 도 3a 내지 도 3b에 도시된 예시적인 실시예에서 5mm), 이온 추출 구멍(120) 영역의 자기장은 자기장 비대칭에 의해 최소로 영향을 받고, 최적의 축 대칭에 가깝게 유지된다. 애노드(22) 편의 비대칭 강자성/비강자성 구조로 인해 발생하는 가속 간극의 왜곡된 자기장은, 이온 추출 구멍(120)이 Z 전극 구멍(38)과 동축으로 배열될 때 이온 추출 구멍(120)으로부터의 전자 추출을 억제하여, 소스 플라즈마의 가장 강한 중심 영역에서 양이온 또는 음이온을 추출할 수 있게 한다.
일부 예에서, 애노드(22)의 적어도 일부(예를 들어, 도 3a-3b에 예시된 부분 강자성 애노드 인서트(134))는 원뿔 형상(예를 들어, 도 1의 Z-전극(18)을 향해 볼록함)을 가져, 애노드(22)와 Z-전극(18)간 간극의 자기장이 이온 추출 구멍(120)이 위치하는 원뿔의 정점에 집중된다. 이온 추출 구멍(120)이 천공되는 애노드(22) 영역은 강자성 연철 또는 유사한 재료일 수 있으며, 이는 이온 추출 구멍(120) 부근의 자기장을 추가로 최적화한다.
이온 현미경 및 이온 마이크로프로브 기기 디자인 둘 모두에서 최대 음이온 빔 전류 및 이온 빔 전류 밀도가 약 4-6 배의 성능 개선이 달성되고, 최소 초점 스폿 크기(예: 이온 마이크로프로브에서)가 2.7 배로 감소된다.
당업자는 본 개시내용의 바람직한 실시예에 대한 개선 및 수정을 인식할 것이다. 이러한 모든 개선 및 수정은 여기에 개시된 개념 및 뒤따르는 청구범위 내에 있는 것이다.

Claims (20)

  1. 접지된 전극에 인접하여 위치하도록 구성된 듀오플라즈마트론 이온 소스로서,
    캐소드;
    애노드;
    상기 캐소드와 상기 애노드 사이에 마련되고 Z 전극 구멍을 정의하는 사이 전극(Z 전극); 을 포함하며,
    상기 애노드는 접합부에서 결합한 강자성 부분과 비강자성 부분을 포함하는 부분 강자성 영역을 포함하고, 상기 강자성 부분은 상기 Z 전극 구멍에 인접하여 마련된 이온 추출 구멍을 정의하며,
    상기 접합부는 상기 이온 추출 구멍에서 측방향으로 오프셋되고,
    상기 부분 강자성 애노드 영역은 상기 이온 추출 구멍으로부터의 전자가 이동하여 상기 접지된 전극과 접촉하는 것을 감소 또는 제거하는 자기장을 생성하도록 구성되는,
    듀오플라즈마트론 이온 소스.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 애노드는 상기 부분 강자성 영역을 형성하는 제거 가능한 인서트를 더 포함하는,
    듀오플라즈마트론 이온 소스.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제거 가능한 인서트는 상기 애노드의 나사형 수용 구멍과 체결되도록 구성된 나사형 표면을 포함하는,
    듀오플라즈마트론 이온 소스.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 접합부는 상기 이온 추출 구멍에서 측방향으로 적어도 3mm 오프셋된,
    듀오플라즈마트론 이온 소스.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 접합부는 상기 이온 추출 구멍에서 측방향으로 적어도 5mm 오프셋된,
    듀오플라즈마트론 이온 소스.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 강자성 부분 및 상기 비강자성 부분 각각은 금속성 재질인,
    듀오플라즈마트론 이온 소스.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 강자성 부분은 철 포함 금속을 포함하는,
    듀오플라즈마트론 이온 소스.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 비강자성 부분은 비강자성 스테인리스 강 합금을 포함하는,
    듀오플라즈마트론 이온 소스.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 듀오플라즈마트론 이온 소스는 양이온 또는 음이온 중 적어도 하나를 생성하도록 구성되는,
    듀오플라즈마트론 이온 소스.
  10. 제1항에 있어서,
    듀오플라즈마트론 이온 소스는 음이온을 생성하도록 구성되고,
    상기 Z 전극 구멍은 상기 이온 추출 구멍과 동축으로 정렬되는,
    듀오플라즈마트론 이온 소스.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 부분 강자성 애노드 영역은 상기 Z 전극을 향해 볼록한 원뿔형 단면 형상을 가지는,
    듀오플라즈마트론 이온 소스.
  12. 접지된 전극에 인접하여 배치되고 자기 회로의 일 부분을 형성하도록 구성된 듀오플라즈마트론 이온 소스용 부분 강자성 애노드로서,
    상기 부분 강자성 애노드는, 접합부에서 결합된 강자성 부분과 비강자성 부분을 포함하는 부준 강자성 영역을 포함하고,
    상기 강자성 부분은 이온 추출 구멍을 정의하고,
    상기 접합부는 상기 이온 추출 구멍으로부터 측방향으로 오프셋되고,
    상기 부분 강자성 애노드 영역은 상기 이온 추출 구멍으로부터의 전자가 이동하여 상기 접지된 전극과 접촉하는 것을 감소 또는 제거하는 자기장을 생성하도록 구성되는,
    부분 강자성 애노드.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 부분 강자성 애노드는 상기 부분 강자성 영역을 형성하는 제거 가능한 인서트를 포함하는,
    부분 강자성 애노드.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제거 가능한 인서트는 상기 애노드의 나머지 강자성 부분의 나사형 수용 구멍과 체결하도록 구성된 나사형 표면을 포함하는,
    부분 강자성 애노드.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 부분 강자성 영역은 상기 부분 강자성 애노드의 나머지 부분과 일체로 형성되는,
    부분 강자성 애노드.
  16. 제12항에 있어서,
    상기 접합부는 상기 이온 추출 구멍에서 측방향으로 적어도 3mm 오프셋된,
    부분 강자성 애노드.
  17. 제12항에 있어서,
    상기 이온 추출 구멍을 정의하는 상기 부분 강자성 영역의 적어도 일부는 원뿔형 단면 형상을 가지며,
    상기 부분 강자성 애노드는 이온 생성 방전을 포함하는 상류 영역과 이온이 상기 접지 전극을 향해 가속되는 하류 영역을 분리하고,
    상기 부분 강자성 애노드는 상기 상류 영역을 향한 방향으로 볼록한,
    부분 강자성 애노드.
  18. 듀오플라즈마트론 이온 소스용 부분 강자성 애노드 제조 방법으로서, 상기 부분 강자성 애노드 방법은:
    비강자성 재료와 강자성 재료를 결합하여 부분 강자성 스톡을 생성하고;
    상기 부분 강자성 스톡을 가공하여 부분 강자성 애노드 영역을 형성함을 포함하며,
    상기 부분 강자성 영역은 이온 추출 구멍을 정의하고, 상기 비강자성 재료와 상기 강자성 재료가 결합이 된 접합부는 상기 이온 추출 구멍으로부터 측방향으로 오프셋된,
    부분 강자성 애노드 제조 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 비강자성 재료와 강자성 재료를 결합함은 강자성 금속을 비강자성 금속과 땜질함을 포함하는,
    부분 강자성 애노드 제조 방법.
  20. 제18항에 있어서,
    상기 부분 강자성 스톡을 가공함은, 상기 부분 강자성 애노드 영역의 적어도 일부를 원뿔형상으로 형성함을 포함하는,
    부분 강자성 애노드 제조 방법.
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