펄스형 금속 아크 이온소스의 개발과 특성에 관한 연구

김도윤 慶北大學校 大學院 2004 국내박사

A high flux pulsed metal arc ion source, which can simultaneously perform ion implantation and deposition, was developed and tested to evaluate its performance using the prototype. Flux of ion source was measured to be 5 A and bi-polar pulse power supply with a peak voltage of 250 V, repetition of 20 Hz and width of 100 has an output current of 2 kA and average power of 2 kW. Trigger power supply is a high voltage pulse generator producing a peak voltage of 12 kV, peak current of 50 A and repetition rate of 20 Hz. The acceleration column for providing target energy up to ion implantation is carefully designed and compatible with UHV (ultra high vacuum) application. Prototype systems including various ion sources are fabricated for the performance test in the vacuum and evaluated to be more competitive than the existing equipments through repeated deposition experiments. Single and multi-cathode vacuum arc metal ion sources were designed and fabricated for the deposition or ion implantation of multi layers without breaking high vacuum. The ion current was nearly constant during the lifetime of a cathode and increased linearly with an increase of arc current within the range of operation of the ion source. Under optimized conditions with a consideration of heated substrate by acceleration voltage, the ion flux was estimated to be over 1000 mA resulting in a highly controllable deposition rate by varying pulse duty ratio. Beam uniformity was confirmed to be within 95 % by RBS thickness analysis and cross sectional SEM measurement. It was proved by SEM measurement that the macro particles of Cu ion beam were largely filtered by the operation of grids. The adhesion on single crystal Si substrate was increased with the increase of beam power. The ion was implanted on the source deposited by Ni-Cr as the same energy to change the cathode after depositing Cu on Si substrate as 20 kV. Ion plasma deposition of metallic films was a clean process to prepare high purity thin film with a very uniform thickness by excluding most of macro particles. As a result of the peel-up test, metal thin film with a strong adhesion was deposited on SiO_(2), dielectric, poly-imide and polymer substrate with a help of ion implantation to some extents. The main advantage of our high flux metal arc pulse ion source is simpler design and cheaper cost than the previous system for the ion deposition and possibly implantation of metal sources. For this reason our ion source will be adequate not only for the various academic research works but also for the industrial fabrication. The prototype was suitable for the research of metal ion implantation used for milling of metal, ceramic, semiconductor, super semiconductor, glass and polymer and the ion deposition of small area and volume in the mass production.

다중 이온빔 장비용 이온빔 광학계 설계 및 최적화

김연태 연세대학교 대학원 2009 국내석사

In this thesis, 1)designing focus calibrate-able multi ion beam optics and 2)optimizing optics shape using Taguchi method considering multi-response, and then, 3)developing multi ion beam instrument and fabricating on Si wafer with 2×2 multi ion beam hibernating stage movement.Multi ion beam instrument is developed for overcoming the limit of productivity of focused ion beam machine. As using many ion beams for process, multi ion beam instrument can enhance processing speed much more than focused ion beam machine.First, multi ion beam optics that can calibrate focus is designed. It consists of ion source, region of generating multi ion beam, and region of focusing multi ion beam. Region of generation multi ion beam separate single ion beam to many beams using multi aperture. Multi ion beam focusing region focuses multi ion beam on substrate with divided beam shape. It consists of 2 electro-static Einzel lens and its geometrical relation is derived from Pitch’s equation. As forming disc of least confusion on standard beam measurement plate by controlling 1st lens voltage, 2nd lens, having same voltage of 1st lens, focus again each beams on substrate with focused separately. Second, multi ion beam optics is optimized using Taguchi method. Optimization is progressed with simulation and optimal levels of factors are determined. Consequently, geometrical value of multi ion beam optics is determined. Last, multi ion beam instrument including multi ion beam optics column is developed. 100 oriented Si wafer is used as substrate for processing with 2×2 Ga LMIS multi ion beam instrument. Acceleration voltage is 10keV and lens voltage for multi ion beam focusing is 4.45kV. 2×2 multi ion beam is processed on substrate. And also, multi ion beam process with moving stage is experimented. 본 논문에서는 1)집속 보정 가능한 다중 이온빔 집속 광학계를 설계하고, 2)다중응답을 고려한 다꾸찌 최적화 방법을 통해 높은 배율과 가공 안정성을 가지는 광학계의 형상에을 결정한 후, 3)실제 다중 이온빔 장비를 제작하여 다중빔의 가공특성과 스테이지 연동 가공 시 특성에 대하여 실험적으로 연구하였다.다증 이온빔 가공 장비는 집속 이온빔 장비가 가진 생산성의 한계를 극복하기 위해 개발되고 있는 장비이다. 집속 이온빔 장비는 하나의 빔을 편향시켜 주사하는 방식으로 재료를 가공하기 때문에 가공 속도가 느려서 생산 장비로서의 활용도가 떨어진다. 하지만, 다중 이온빔 가공장비는 단일 이온원에서 가속되어 방출된 이온빔을 다중 개구를 통해 복수의 이온빔으로 분리 방출 시킨 후, 이온 광학계를 통해 집속시켜 대상을 가공하는 장비이다다중 이온빔 가공 장비 개발을 위해 집속 보정이 가능한 다중 이온빔 광학계를 설계하였다. 설계된 다중 이온빔 집속 광학계로 크게 다중빔 생성 및 평행빔 생성부와 다중빔 집속부로 구성되어 있다. 다중빔 생성 및 평행빔 집속부는 다중개구를 통해 방출된 다중빔은 다중빔 집속부를 통과 후 형상을 유지하면서 집속된다. 다중빔 집속부의 형상 관계는 Pitch’s equation에 따른다. 평행빔이 전위 V를 가진 1차 렌즈를 지나고 집속되어 선형 집속 비율에 따라 결정된 표준빔 측정부에서 최소 초점 크기를 가질 때, 역시 선형 집속 배율에 따라 축소된 2차 렌즈에 첫번째 렌즈와 동일한 전위 V를 가해주면 집속되던 다중 빔은 다시 평행빔으로 돌아오게 된다. 따라서 표준빔 측정부에서 이미지를 획득하여 집속을 보정하면, 다중빔의 집속 보정이 가능해 진다.개발된 다중 이온빔 광학계의 집속 성능을 향상시킴과 동시에 가공 신뢰성을 확보하기 위해 다구찌 방법을 이용한 최적설계를 하였다. 그리고 집속 배율 뿐 아니라 빔간의 형상 및 에너지가 균일한 상태로 집속되어야 하므로, 이들을 설계에 고려하기 위해 다중 응답방법이 채택되었다. 최적화 결과 결정된 다중 이온빔 광학계의 주요 형상 값이 결정되었다.이을 바탕으로 다중 이온빔 집속 광학계를 포함한 다중 이온빔 가공 장비를 제작하였다. 다중 이온빔 장비의 가공 실험은 Ga LMIS를 가지고 시행하였다. 실험은 다중빔 조사 시간에 따른 가공 특성 변화와 다중빔과 스테이지 연동 가공 시 빔 중첩에 의한 가공 특성 변화를 알아보기 위해 시행되었다. 실험 결과, 다중빔 조사 시간에 따라 가공 양이 증가하였으나, 시간이 증가함에 따라 가공의 증가량은 점점 감소하였다. 또한 다중빔과 스테이지 연동 가공 시 빔 중첩에 의해 가공된 영역은 그렇지 않은 영역보다 더 많이 가공되었다.

금속이온소스를 위한 고전압 펄스형 전원장치의 개발

朴贊原 忠南大學校 大學院 2005 국내석사

This paper is to see operation of the Metal Plasma Ion Source. The main theme of this paper is various equipments for High-voltage Pulse forming and supply of stable pulse. We searched High-Voltage, High-current Pulse Formation, Control of IGBT and SCR Unit. Variety of Noise Shielding and power supply control for High-Voltage Floating states. Including additional important factors for High-voltage Floating, we have to go on searching to apply the pulse forming technology into industry. To apply this technology into industry, we have to go on studying about High-voltage noise protection, minute control of high-voltage Floating, Display equipments for various power supplies. To overcome the present process that contains some weak points as consumption of high electric power, limited coating material, it will be a good profit to use "Metal Plasma Pulse" on this paper.

End-Hall형 이온 소스의 제작과 이온 보조 증착된 광학 박막의 물성 연구

김형근 울산대학교 1996 국내석사

기체크로마토그래피-질량분석기의 분리막 인터페이스의 유용성 연구

강길선 연세대학교 대학원 2009 국내석사

Agilent 5973 GC-MS instrument was modified so that the capillary direct interface was removed and that a silicone membrane was installed between GC and MS. Feasibility study of the membrane interface GC-MS has been carried out. Vacuum of the mass spectrometer was not affected by the carrier gas flow rate up to 4.7 mL/min. As the carrier flow rate was increased, peak tailing was reduced and chromatogram peaks appeared earlier. Chromatogram peaks showed better separation and higher sensitivity as the membrane thickness was reduced from 127 μm to 75 μm, and also as the interface temperature was increased. However, the membrane interface GC-MS had drawbacks such as background ions at 73 and 147 m/z and poor peak separation due to peak tailing.Rhenium and iridium filaments were coated with three different kinds of oxide materials by the electrophoretic deposition method, and electron emission characteristics of the filaments have been studied. Among the three oxide materials tested in this work, yttrium oxide and lanthanum oxide coated filaments enhanced the electron emission of rhenium and iridium filaments. There was an optimum range of the yttrium oxide coating thickness which was somewhere between 20 and 40 μm. Agilent 5973 GC/MS의 capillary direct interface를 떼어내고 GC와 질량분석기 사이에 실리콘 membrane을 장착하는 membrane interface GC/MS의 분석 유용성을 조사하였다. 최대 4.7ml/min까지 헬륨 운반기체유량을 올릴 때 질량분석기의 진공도는 거의 영향을 받지 않으며, 피크 끌림 현상이 줄어들고 머무른 시간이 줄어드는 빠른 분석을 보였다. Membrane 의 두께를 127μm에서 75μm으로 줄일 때 분리능이 향상되며, membrane interface의 온도를 올릴 때 분리능과 감도가 향상되었다. 그러나 membrane interface GC/MS는 질량대 전하비 73, 147에서 바탕이온이 발생하는 문제점이 있으며, 사용한 두께의 membrane에서는 기존의 capillary direct insertion interface보다 낮은 감도와 peak tailing에 의한 낮은 분리능을 보였다. 이러한 낮은 감도와 낮은 분리능은 더 얇은 두께의 membrane을 사용하면 개선될 것이다. GC-MS의 이온원 성능을 향상시키고자 필라멘트를 Y2O3, ZrO2, CeO2, La2O3 의 네 가지 산화물을 가지고 전기영동 증착 방법을 이용하여 코팅을 했다. 코팅된 필라멘트를 가지고 전자 방출 특성을 연구하였으며 가장 효과적인 산화물과 코팅 두께를 찾기 위한 최적화 연구를 수행하였다. 실험 결과 4가지 산화물 가운데 Y2O3, La2O3을 코팅했을 때 전자방출 효율이 향상되었으며, Y2O3 의 최적화된 코팅 두께는 20~ 40 μm 이었다. 그러나 ZrO2, CeO2로 코팅된 필라멘트는 오히려 코팅되지 않은 필라멘트보다 전자 방출 효율이 감소하였다.