KR100548806B1 - Plasma ion implantation apparatus and method thereof - Google Patents
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Abstract
플라즈마 이온 주입장치 및 그 플라즈마 이온 주입방법이 개시된다. 본 발명에 따른 플라즈마 이온 주입장치는, 시료가 장착되며 진공조 내에 서로 대향하는 방향으로 마주하여 설치되는 적어도 한 쌍의 시료대, 각각의 시료대에 공통으로 연결되며 음의 고전압 펄스를 공급하는 펄스전원 공급부, 진공조 내에 플라즈마화할 가스를 공급하는 가스 공급부, 및 가스 공급부에 의해 공급된 가스를 플라즈마로 변환시키는 플라즈마 변환부를 포함한다. 여기서, 펄스전원 공급부는 플라즈마 변환부에 의해 변환된 플라즈마를 이용하여 시료의 표면에 플라즈마 이온을 주입시킨다.A plasma ion implantation apparatus and a plasma ion implantation method thereof are disclosed. In the plasma ion implantation apparatus according to the present invention, at least one pair of sample stages in which a sample is mounted and installed to face each other in a direction opposite to each other, a pulse connected in common to each sample stage and supplying a negative high voltage pulse And a power supply, a gas supply for supplying gas to be plasmaized in the vacuum chamber, and a plasma converter for converting the gas supplied by the gas supply to plasma. Here, the pulse power supply unit injects plasma ions to the surface of the sample using the plasma converted by the plasma converter.
플라즈마, 이온, 이차전자, 시료대, 가스, 펄스Plasma, ion, secondary electron, sample stage, gas, pulse
Description
도 1은 종래의 기술에 따른 플라즈마 이온 주입장치를 개략적으로 도시한 단면도,1 is a cross-sectional view schematically showing a plasma ion implantation apparatus according to the prior art,
도 2는 펄스 전압에 따른 전원공급장치의 효율을 나타낸 그래프,2 is a graph showing the efficiency of the power supply according to the pulse voltage,
도 3은 시료에 흐르는 이차전류를 포함한 전체전류 대 주입된 이온만에 의한 전류의 비를 나타낸 그래프,3 is a graph showing the ratio of the total current to the current by only implanted ions, including the secondary current flowing through the sample,
도 4는 본 발명에 따른 플라즈마 이온 주입장치의 실시예를 개략적으로 도시한 단면도, 4 is a cross-sectional view schematically showing an embodiment of a plasma ion implantation apparatus according to the present invention;
도 5는 도 4의 플라즈마 이온 주입장치에 의한 플라즈마 이온 주입방법의 일 실시예를 나타낸 흐름도, 5 is a flowchart illustrating an embodiment of a plasma ion implantation method by the plasma ion implantation apparatus of FIG. 4;
도 6은 도 4의 플라즈마 이온 주입장치에 의한 플라즈마 이온 주입방법의 다른 실시예를 나타낸 흐름도, 그리고6 is a flow chart showing another embodiment of a plasma ion implantation method by the plasma ion implantation apparatus of FIG.
도 7은 본 발명에 따른 플라즈마 이온 주입장치의 응용예를 나타낸 도면으로서 도 7a는 필름의 양면처리의 일 실시예를 나타내며, 도 7b는 필름의 단면처리의 일 실시예를 나타내고, 도 7c는 필름의 양면처리의 다른 실시예를 나타낸 도면이다.7 is a view showing an application example of the plasma ion implantation apparatus according to the present invention, Figure 7a shows an embodiment of the double-sided treatment of the film, Figure 7b shows an embodiment of the cross-sectional treatment of the film, Figure 7c is a film Fig. 2 shows another embodiment of the double-sided processing.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings
10, 101 : 진공조 32, 103 : 시료대10, 101:
36 : 시료 38, 121 : 플라즈마36:
40, 123 : 쉬스 42, 131 : 이차전자40, 123:
44, 129 : 이온 105 : 고전압 피드스루44, 129: ion 105: high voltage feedthrough
30, 107 : 고전압 펄스 발생장치 109 : RF 안테나30, 107: high voltage pulse generator 109: RF antenna
111 : RF 안테나 피드스루 113 : 매칭부111: RF antenna feedthrough 113: matching unit
115 : RF 발생부 117 : 가스 공급장치115: RF generator 117: gas supply device
119 : 진공 장치 125 : 플라즈마 차폐막119: vacuum apparatus 125: plasma shielding film
127 : 영구자석 127: permanent magnet
본 발명은 플라즈마 이온 주입장치 및 그 이용한 플라즈마 이온 주입방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 플라즈마 이온 주입 시에 발생하는 이차전자에 의한 열손실, X-선의 발생, 손실 전류의 발생을 줄일 수 있는 플라즈마 이온 주입장치 및 그것을 이용한 플라즈마 이온 주입방법에 관한 것이다.The present invention relates to a plasma ion implantation apparatus and a plasma ion implantation method using the same, and more particularly, to reduce heat loss, X-ray generation, and loss current generated by secondary electrons generated during plasma ion implantation. A plasma ion implantation apparatus and a plasma ion implantation method using the same.
재료의 표면에 이온을 주입함으로써 표면의 물성을 변화시키는 이온주입(Ion implantation) 기술은 재료 표면의 내마모성, 내식성, 피로 특성, 마찰 특성 등을 향상시키는 큰 효과를 나타내며, 또한 전기적 특성이나 광학적 특성을 변화시키는 데에도 널리 활용되고 있다. 이온주입이란, 전기장을 이용하여 주입하고자 하는 이온들을 높은 운동에너지를 갖도록 가속시켜서 고체 상태인 재료의 표면에 충돌시킴으로써 이온을 주입시키는 기술이다. Ion implantation technology, which changes the physical properties of the surface by injecting ions into the surface of the material, has a great effect of improving the wear resistance, corrosion resistance, fatigue characteristics, friction characteristics, and the like of the surface of the material. It is also widely used for change. Ion implantation is a technique in which ions are implanted by accelerating ions to be implanted using an electric field to have high kinetic energy and colliding with the surface of a solid material.
그런데, 이온주입을 이용한 재료의 표면개질 기술은 반도체 제조공정 분야를 제외하고는 그리 널리 사용되지 못하고 있다. 이온주입 기술의 범용성을 제한하는 가장 큰 원인은 다른 표면개질 기술에 비해서 제조비용이 높다는 것이다. 제조비용이 높은 원인은 이온주입 설비와 공정의 두 가지 측면을 들 수 있다.However, the surface modification technology of the material using ion implantation is not widely used except in the field of semiconductor manufacturing process. The main reason for limiting the versatility of ion implantation technology is the high manufacturing cost compared to other surface modification techniques. High manufacturing costs can be attributed to two aspects: ion implantation equipment and processes.
이온주입 장치는 기본적으로 이온 발생원, 가속장치, 및 고진공(高眞空)장치를 구비하여야 하며, 이온빔(Ion beam)의 구경을 크게 하고 가속전압을 높일 수록 설비제작 비용은 크게 높아진다. 특히, 대부분의 이온주입 장치들은 실리콘웨이퍼를 가공하는 반도체 제조공정에 맞도록 개발되고 설계되어 있으며, 금속학적인 응용분야에 사용되는 이온주입 장치들도 이러한 기본 구성에서 크게 벗어나지 못하고있다.The ion implantation apparatus should basically include an ion generating source, an accelerator, and a high vacuum device, and as the diameter of the ion beam is increased and the acceleration voltage is increased, the equipment manufacturing cost is greatly increased. In particular, most ion implanters are developed and designed for semiconductor manufacturing processes that process silicon wafers, and ion implanters used in metallurgical applications do not deviate significantly from these basic configurations.
공정적인 측면에서 볼 때에는 3차원 형상을 갖는 재료의 이온주입이 제조비용을 상승시키는 요인이 된다. 이온빔을 이용한 이온주입 기술은 직선적인 공정(Line-of-sight process)이므로, 3차원 표면 형상을 갖는 소재를 처리하기 위해서는 소재의 표면 형상에 따라서 여러 개의 이온빔을 설치하거나 이온빔을 고정시키고 소재를 여러 각도로 회전시켜야 한다. 여러 개의 이온빔을 설치하는 것은 설비 제작비용을 상승시키며, 소재를 회전시키는 것은 공정제어를 어렵게 할뿐만 아니라 처리시간이 길어지게 하므로 제조비용의 상승을 초래하는 결과를 가져온다.In terms of process, ion implantation of a material having a three-dimensional shape increases the manufacturing cost. Since ion implantation technology using ion beam is a line-of-sight process, in order to process a material having a three-dimensional surface shape, several ion beams may be installed or ion beams may be fixed according to the surface shape of the material. It must be rotated at an angle. Installing multiple ion beams increases the manufacturing cost of the equipment, and rotating the material not only makes the process difficult to control, but also increases the processing time, resulting in an increase in the manufacturing cost.
이와 같은 이온빔 주입 기술의 한계를 극복할 수 있는 기술이 플라즈마 이온주입이다. 플라즈마 이온주입은 이온빔 주입과는 달리 별도의 이온 발생원과 가속장치를 사용하지 않는다. 대신에 주입하고자 하는 물질을 기체 상태로 도입하고 플라즈마를 형성시킨 후 처리하고자 하는 소재에 고전압의 바이어스를 인가함으로써 플라즈마 중의 양이온들이 소재의 표면에 충돌, 주입되도록 하는 것이다. 소재 주위에는 쉬스(sheath)가 형성되며 이온들은 소재의 모든 표면에 입사, 충돌을 일으키게 된다. 이와 같이, 플라즈마 이온주입법은 소재 주위에 형성되는 쉬스에서의 이온의 가속을 이용하므로 3차원 입체구조를 가지는 소재의 표면 처리도 용이하다는 장점이 있다.Plasma ion implantation is a technique that can overcome the limitation of the ion beam implantation technology. Unlike ion beam implantation, plasma ion implantation does not use a separate ion generator and accelerator. Instead, the material to be injected is introduced into a gaseous state, a plasma is formed, and a high voltage bias is applied to the material to be treated so that the cations in the plasma collide with the surface of the material. Sheaths form around the material and ions enter and collide on all surfaces of the material. As described above, the plasma ion implantation method uses the acceleration of ions in the sheath formed around the material, so that the surface treatment of the material having the three-dimensional solid structure is also easy.
도 1은 종래의 기술에 따른 플라즈마 이온 주입장치를 개략적으로 도시한 단면도이다. 도면을 참조하면, 플라즈마 이온 주입장치는, 시료대(32)에 장착된 시료(36)에 음의 고전압이 가해지면 시료(36) 주변에 쉬스(40)가 형성되어 플라즈마(38) 속의 (+)이온(44)은 시료(36) 쪽으로 가속되어 시료(36)의 표면에 주입된다. 이때, 쉬스(40)를 통과하면서 가속된 높은 에너지를 가진 이온(44)이 시료(36)의 표면에 충돌할 때, 시료(36)에 전달되는 이온(44)의 에너지 중 일부는 시료(36)의 표면에서 이차전자(42)의 방출을 유발하게 된다. 방출된 이차전자(42)는 쉬스(40)를 지나면서 가속되고 진공조(10)의 벽으로 충돌하여 손실된다. 이차전자(42)의 방출계수 
이 값은 상당히 크기 때문에, 20keV의 에너지를 가진 Ar+ 이온 하나가 스테인레스 스틸의 표면에 입사될 때 
쉬스(40)를 지나 플라즈마(38) 쪽으로 가속된 이차전자(42)는 몇 가지 문제를 유발한다.
첫째로, 이온 전류와 전자 전류 모두 고전압 펄스 공급장치(30)에 의해 공급되는 전류에 기여하게 되는데, 이때의 공급되는 전체전류 Itotal는 다음과 같은 식으로 표현될 수 있다.First, both the ion current and the electron current contribute to the current supplied by the high voltage
여기서, Itotal는 고전압 펄스 공급장치(30)에 의해 공급되는 전체전류, Ii는 이온 전류, 그리고 ISE는 이차전자(42)에 의한 전류로서 Ii
즉, 
두 번째로, 방출된 이차전자(42)는 가속되어 에너지를 얻은 후 진공조(10)의 벽에 부딪혀서 열을 방출하며 이 열은 냉각되어야 하므로, 곧 열손실이 발생되는 셈이다. 또한, 전자가 진공조(10) 벽에서 손실되기까지의 과정에서 인체에 유해한 X-선을 유발하므로, 납판 등을 이용한 두꺼운 차폐막을 설치하여야 하며, 그것은 에너지의 손실 증가의 중요한 요인이 된다. 한 예로, 아르곤 이온(44)이 스테인레스 스틸 타겟(36)에 충돌 시, 스테이지를 통해 고전압 펄스 공급장치(30)로 흐르는 이차전자(42)를 포함한 전체 전류 대 실제 이온(44) 만에 의한 전류의 비는 다음의 식과 같이 표현할 수 있다.Secondly, the emitted
여기서, Vpulse는 펄스 전압[kV]을 나타낸다. Here, V pulse represents the pulse voltage [kV].
수학식 3에 따라 시료(36)에 흐르는 이차전류를 포함한 전체전류(Ipulse = Iload) 대 주입된 이온(44)만에 의한 전류(Iion)의 비를 나타낸 그래프는 도 2에 도시한 바와 같다. 이때, 전원장치(30)의 파워 효율은 다음과 같은 식으로 표현할 수 있다.A graph showing the ratio of the total current (I pulse = I load ) including the secondary current flowing through the
≒
수학식 4에 의해 펄스 전압에 따른 전원장치(30)의 효율을 나타낸 그래프는 도 3에 도시한 바와 같다. 즉, 100kV의 전압을 시료(32)에 걸어줄 경우 전체전류 대 이온전류의 비는 10으로 전체전류 중에서 이차전류가 이온전류의 9배를 차지하며, 이 때의 전원장치(30)의 파워 효율은 0.1이다. 즉, 이차전자(42)에 의한 전류는 전원장치(30)의 파워 효율을 떨어뜨리는 중요한 요인이 된다.A graph showing the efficiency of the
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 플라즈마 이온주입 시에 발생되는 이차전자를 효과적으로 구속하여 진공조의 벽으로 손실되는 전류를 줄여줌으로써, 인체에 유해한 X-선의 발생과 이차전자에 의한 열손실 및 필요 이상으로 손실되는 전류를 줄여 결과적으로 전원공급장치의 효율을 높일 수 있는 플라즈마 이온 주입장치 및 그 플라즈마 이온 주입방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention has been made to solve the above problems, by effectively constraining secondary electrons generated during plasma ion implantation to reduce the current lost to the wall of the vacuum chamber, the generation of harmful X-rays and secondary electrons It is an object of the present invention to provide a plasma ion implantation apparatus and a plasma ion implantation method capable of reducing the heat loss caused by the heat loss and the current lost more than necessary and consequently increasing the efficiency of the power supply.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 플라즈마 이온 주입장치는, 시료가 장착되며, 진공조 내에 서로 대향하는 방향으로 마주하여 설치되는 적어도 한 쌍의 시료대; 각각의 상기 시료대에 공통으로 연결되며, 음의 고전압 펄스를 공급하는 펄스전원 공급부; 상기 진공조 내에 플라즈마화할 가스를 공급하는 가스 공급부; 및 상기 가스 공급부에 의해 공급된 상기 가스를 플라즈마로 변환시키는 플라즈마 변환부를 포함하며, 상기 펄스전원 공급부는, 상기 플라즈마 변환부에 의해 변환된 상기 플라즈마를 이용하여 상기 시료의 표면에 플라즈마 이온을 주입시키는 것을 특징으로 한다.Plasma ion implantation apparatus according to the present invention for achieving the above object, the sample is mounted, at least a pair of sample stages installed facing each other in a direction opposite to each other in the vacuum chamber; A pulse power supply unit commonly connected to each of the sample stages and supplying a negative high voltage pulse; A gas supply unit supplying a gas to be plasmaized into the vacuum chamber; And a plasma conversion unit for converting the gas supplied by the gas supply unit into plasma, wherein the pulse power supply unit injects plasma ions into the surface of the sample using the plasma converted by the plasma conversion unit. It is characterized by.
바람직하게는, 상기 플라즈마 이온 주입장치는, 상기 진공조의 외측벽에 장착되며, 상기 진공조 내의 플라즈마 분포를 균일하게 유지시키는 복수의 영구자석을 더 포함한다.Preferably, the plasma ion implantation apparatus further includes a plurality of permanent magnets mounted on an outer wall of the vacuum chamber and uniformly maintaining a plasma distribution in the vacuum chamber.
또한, 상기 플라즈마 이온 주입장치는, 각각의 상기 시료대와 상기 진공조 사이에 상기 플라즈마가 발생되는 것을 차단하기 위한 차폐막을 더 포함하는 것이 바람직하다.In addition, the plasma ion implantation device preferably further includes a shielding film for blocking the generation of the plasma between each sample stage and the vacuum chamber.
여기서, 상기 펄스전원 공급부는 각각의 상기 시료대 사이에서의 이차전자의 비행시간에 따라 공급되는 상기 펄스의 펄스폭을 결정하는 것이 바람직하다. Here, the pulse power supply unit preferably determines the pulse width of the pulse supplied according to the flight time of the secondary electrons between the respective sample stage.
또는, 각각의 상기 시료대 사이의 간격은, 상기 펄스전원 공급부에 의해 공급되는 상기 펄스의 펄스폭 및 전압에 따라 소정의 거리로 유지되는 것이 바람직하다.Alternatively, the interval between each sample stage is preferably maintained at a predetermined distance in accordance with the pulse width and voltage of the pulse supplied by the pulse power supply unit.
또한, 각각의 상기 시료대는 상기 진공조에 대하여 전기적으로 절연되는 것이 바람직하다.In addition, each of the sample stages is preferably electrically insulated from the vacuum chamber.
여기서, 상기 플라즈마 이온 주입장치는, 각각의 상기 시료대를 수소의 흡수 가 용이한 팔라듐이나 백금으로 구현하고, 상기 가스 공급부는 중수소 또는 삼중수소를 상기 플라즈마용 가스로 공급하여 상기 중수소 또는 상기 삼중수소를 중성자 원으로 하는 중성자 발생장치로 이용될 수 있다.Here, the plasma ion implantation apparatus, each of the sample stage is implemented with palladium or platinum that is easy to absorb hydrogen, the gas supply unit supplies deuterium or tritium to the plasma gas to supply the deuterium or the tritium It can be used as a neutron generator that uses a neutron source.
또한, 상기 플라즈마 이온 주입장치의 상기 플라즈마 변환부는, 전자 싸이클로트론 공명(ECR : Electron Cyclotron Resonance)에 의한 플라즈마, 헬리콘(Helicon) 플라즈마, 평판형 유도 결합 플라즈마(ICP : Inductively Coupled Plasma), RF(Radio Frequency) 플라즈마, 열 필라멘트 또는 열 음극에 의한 플라즈마 중의 어느 하나의 플라즈마 소스에 의해 구현되는 것이 바람직하다.In addition, the plasma conversion unit of the plasma ion implantation apparatus, plasma by electron cyclotron resonance (ECR), helicon (Helicon) plasma, inductively coupled plasma (ICP: Inductively Coupled Plasma), RF (Radio) Frequency) is preferably implemented by the plasma source of any one of plasma, thermal filament or plasma by thermal cathode.
한편, 본 발명에 따른 플라즈마 이온 주입장치는, (a) 진공조 내의 서로 대향하는 방향으로 마주하여 설치된 한 쌍의 시료대에 시료를 장착하는 단계; (b) 상기 진공조 내에 플라즈마화할 가스를 공급하는 단계; (c) 공급된 상기 가스를 플라즈마로 변환시키는 단계; (d) 각각의 상기 시료대에 공통의 음의 고전압 펄스를 공급하는 단계; 및 (e) 변환된 상기 플라즈마를 이용하여 상기 시료의 표면에 플라즈마 이온을 주입시키는 단계를 포함하는 플라즈마 이온 주입방법을 제공한다.On the other hand, the plasma ion implantation apparatus according to the present invention comprises the steps of: (a) mounting a sample on a pair of sample stages installed facing each other in a vacuum chamber; (b) supplying a gas to be plasmaized into the vacuum chamber; (c) converting the supplied gas into a plasma; (d) supplying a common negative high voltage pulse to each sample bed; And (e) injecting plasma ions into the surface of the sample using the converted plasma.
바람직하게는, 상기 플라즈마 이온 주입방법은, (f) 각각의 상기 시료대와 상기 진공조 사이에 상기 플라즈마가 발생되는 것을 차단하는 단계를 더 포함한다.Preferably, the plasma ion implantation method further comprises (f) blocking the generation of the plasma between each sample stage and the vacuum chamber.
바람직하게는, 상기 플라즈마 이온 주입방법은, (g) 각각의 상기 시료대 사이에서의 이차전자의 비행시간에 따라 공급되는 상기 펄스의 펄스폭을 결정하는 단계를 더 포함한다.Preferably, the plasma ion implantation method further comprises (g) determining a pulse width of the pulse supplied according to the flight time of the secondary electrons between the respective sample stages.
또는, 상기 플라즈마 이온 주입방법은, (g) 공급되는 상기 펄스의 펄스폭 및 전압에 따라 각각의 상기 시료대 사이의 간격을 소정 거리로 조절하여 유지시키는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.Alternatively, the plasma ion implantation method, (g) preferably further comprises the step of adjusting and maintaining the interval between the respective sample stages according to the pulse width and voltage of the supplied pulse to a predetermined distance.
이로써, 본 발명에 따른 플라즈마 이온 주입장치는, 플라즈마 이온주입 시에 발생되는 이차전자를 효과적으로 구속하여 진공조의 벽으로 손실되는 전류를 줄일 수 있게 되며, 인체에 유해한 X-선의 발생과 이차전자에 의한 열손실 및 필요 이상으로 손실되는 전류를 줄여 결과적으로 전원공급장치의 효율을 높일 수 있게 된다.As a result, the plasma ion implantation apparatus according to the present invention can effectively restrain secondary electrons generated during plasma ion implantation, thereby reducing the current lost to the wall of the vacuum chamber, and the generation of harmful X-rays and secondary electrons. The heat loss and the loss of excess current are reduced, resulting in higher power supply efficiency.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 플라즈마 이온 주입장치 및 그 플라즈마 이온 주입방법을 상세하게 설명한다.Hereinafter, a plasma ion implantation apparatus and a plasma ion implantation method thereof according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 4는 본 발명에 따른 플라즈마 이온 주입장치의 실시예를 개략적으로 도시한 단면도이다. 도면을 참조하면, 플라즈마 이온 주입장치는, 진공조(101), 적어도 한 쌍의 시료대(103a, 103b), 펄스전원 공급부(105, 107), 플라즈마 변환부(109, 111, 113, 115), 가스 공급부(117), 진공펌프(119), 차폐막(125), 및 영구자석(127)을 구비한다. 여기서, 펄스전원 공급부(105, 107)는 고전압 피드스루(feedthrough)(105) 및 고전압 펄스 발생장치(107)로 구성되며, 플라즈마 변환부(109, 111, 113, 115)는 RF(Radio Frequency) 안테나(109), RF 안테나 피드스루(RF antenna feedthrough)(111), 매칭부(113), 및 RF 발생부(115)로 구성된다. 그런데, 도면에는 플라즈마 변환부(109, 111, 113, 115)가 RF 플라즈마 소스로 구현된 것으로 도시하였으나, 이에 한정된 것은 아니며, 플라즈마 변환부(109, 111, 113, 115)는 전자 싸이클로트론 공명(ECR : Electron Cyclotron Resonance)에 의한 플라즈마 소스, 헬리콘(Helicon) 플라즈마 소스, 평판형 유도 결합 플라즈마(ICP : Inductively Coupled Plasma) 소스, 열 필라멘트 또는 열 음극에 의한 플라즈마 소스 등과 같은 다양한 형태의 다른 플라즈마 소스로 구현될 수도 있다.4 is a cross-sectional view schematically showing an embodiment of a plasma ion implantation apparatus according to the present invention. Referring to the drawings, the plasma ion implantation apparatus includes a
진공조(101)는 진공펌프(119)에 의하여 진공조(101) 내부의 진공도를 일정하게 유지하도록 구현되며, 이상 전압의 발생으로부터 기기 및 인체를 보호하기 위하여 지면에 접지된다.The
적어도 한 쌍의 시료대(103a, 103b)의 각각의 시료대에는 표면 개질처리를 하고자 하는 시료를 장착하며, 각각의 시료대(103a, 103b)는 진공조(101) 내에 서로 대향하는 방향으로 마주하여 설치된다. 이때, 각각의 시료대(103a, 103b)는 진공조(101)에 대하여 전기적으로 절연되는 것이 바람직하다. 또한, 각각의 시료대(103a, 103b)는, 서로 대향하는 방향에 있는 시료대(103a 또는 103b)에 대한 시료대(103a, 103b) 사이의 간격을 조절할 수 있도록 진공조(101) 내측벽에 대하여 전후로 이동가능하게 설치될 수 있다. 이 경우, 각각의 시료대(103a, 103b)는, 펄스전원 공급부(105, 107)에 의해 공급되는 고전압 펄스의 펄스폭 및 전압에 따라 각각의 시료대(103a, 103b) 사이의 간격을 조절하며, 각각의 시료대(103a, 103b) 측에서의 자기장 분포가 동일하도록 중심선으로부터 동일한 거리로 이동되는 것이 바람직하다.Each sample stage of at least one pair of
펄스전원 공급부(105, 107)는 진공조(101) 내에 설치된 각각의 시료대(103a, 103b)에 공통의 음의 고전압 펄스를 공급한다. 이때, 고전압 피드스루(105)는 진공조(101) 내에 설치되는 각각의 시료대(103a, 103b)를 향하여 진공조(101)를 관통하여 설치되며, 고전압 펄스 발생장치(107)와 각각의 시료대(103a, 103b)를 전기적으 로 접속하는 역할을 한다. 또한, 고전압 펄스 발생장치(107)는 진공조(101) 내의 플라즈마(121)로부터 이온을 추출하여 유도하기 위하여 각각의 시료대(103a, 103b)에 공통의 음의 고전압 펄스를 인가한다. 이때, 고전압 펄스 발생장치(107)는 각각의 시료대(103a, 103b) 사이에서의 이차전자(131a, 131b)의 비행시간에 따라 공급되는 고전압 펄스의 펄스폭을 조절하도록 구현될 수 있다. 즉, 각각의 시료대(103a, 103b)가 진공조(101) 내에 위치가 고정되어 설치되는 경우, 각각의 시료대(103a, 103b) 사이에서의 이차전자(131a, 131b)의 비행시간을 고려하여 공급되는 고전압 펄스의 펄스폭을 조절할 수 있도록 구현되는 것이 바람직하다. The pulse
플라즈마 변환부(109, 111, 113, 115)는 가스 공급부(117)에 의해 공급된 진공조(101) 내의 플라즈마화할 가스를 플라즈마(121)로 변환시킨다. 이때, 가스 공급부(117)는 가스 조절장치(도시하지 않음)를 구비하여 진공조(101) 내부로 공급되는 가스량을 조절하는 것이 바람직하다. 또한, 플라즈마 변환부(109, 111, 113, 115)는 상술한 바와 같이 다양한 플라즈마 소스에 의해 구현될 수 있으며, 이하에서는 RF 플라즈마 소스에 의해 구현된 실시예를 설명한다.The
RF 안테나(109)는 진공조(101) 내부에 장착되며, RF 발생부(115)에 의해 발생된 RF 신호를 수신하여 진공조(101) 내에 유입된 플라즈마용 가스에 방사한다. RF 안테나(109)에 의해 방사되는 RF 전계에 의하여 플라즈마용 가스는 플라즈마(121)로 변환된다. 여기서, RF 발생부(115)는 연속적인 플라즈마(121)를 생성하기 위하여 일정한 RF 신호를 발생시키거나, 펄스 플라즈마(121)를 생성하기 위하여 소정의 펄스폭을 가지는 RF 신호를 발생시킬 수 있다. 이때, RF 발생부(115)에 의해 발생된 RF 전력을 RF 안테나(109)에 전송하기 위하여, RF 안테나 피드스루(111)가 진공조(101)를 관통하여 RF 안테나(109)와 연결된다. 또한, RF 안테나(109)와 RF 발생부(115) 사이의 전력 손실을 방지하기 위하여, 매칭부(113)가 RF 안테나(109)와 RF 발생부(115) 사이의 임피던스를 정합한다.The
차폐막(125)은 각각의 시료대(103a, 103b)의 둘레를 둘러싸도록 진공조(101)에 설치되며, 각각의 시료대(103a, 103b)와 진공조(101) 사이에 RF 안테나(109)에 의한 플라즈마(121)가 생성되는 것을 차단한다. 그러나, 차폐막(125)의 형상은 상기한 것에 한정된 것은 아니며, 각각의 시료대(103a, 103b)와 진공조(101) 사이의 플라즈마(121)의 생성을 차단하기 위해서 다양한 형상이 이용될 수 있다. 또한, 진공조(101)의 기하학적 구조에 따라, 시료대(103a, 103b) 하부와 진공조(101) 벽면 사이에 방전 발생의 우려가 없을 경우에는 차폐막(125)은 생략될 수도 있다.The
영구자석(127)은 진공조(101)의 외측벽에 장착되고, 벽면으로의 하전입자 도달을 어느정도 저지하여 플라즈마(121)를 진공조(101) 중심부에 가두는 역할을 하며 또한, RF 안테나(109)에 의해 발생된 플라즈마(121)를 시료의 3차원 면에 대하여 균일하게 분포시키는 역할을 한다. 영구자석(127)은 경우에 따라 생략되어도 무방하다.The
도 5는 도 4의 플라즈마 이온 주입장치에 의한 플라즈마 이온 주입방법의 일 실시예를 나타낸 흐름도이다. 도면을 참조하여 본 발명에 따른 플라즈마 이온 주입장치의 동작 및 작용을 상세하게 설명한다.5 is a flowchart illustrating an embodiment of a plasma ion implantation method by the plasma ion implantation apparatus of FIG. 4. With reference to the drawings will be described in detail the operation and operation of the plasma ion implantation apparatus according to the present invention.
진공조(101) 내에 설치된 한 쌍의 시료대(103a, 103b)에 표면을 개질하고자 하는 시료를 장착한다(S501). 각각의 시료대(103a, 103b)에 시료가 장착되면, 진공조(101)의 내부는 진공펌프(119)에 의해 진공도가 일정하게 유지된다.The sample to modify the surface is mounted on the pair of
가스 공급부(117)는 진공조(101)의 내부에 플라즈마화하기 위한 플라즈마용 가스를 공급한다(S503). 가스 공급부(117)에 의해 공급되는 플라즈마용 가스로는 질소, 산소, 일산화탄소, 이산화탄소, 암모니아, 메탄, 아세틸렌, 벤젠 가스, 및 이들의 혼합가스가 이용될 수 있다. 그러나, 가스 공급부(117)에 의해 공급되는 가스는 이에 한정된 것은 아니며, 처리하고자 하는 시료의 종류나 표면 처리의 종류에 따라 다양한 종류의 가스가 사용될 수 있다. The
RF 안테나(109)는 RF 발생부(115)에 의해 공급된 RF 신호에 따라 진공조(101) 내부에 공급된 가스를 플라즈마(121)로 변환시킨다(S505). 이때, 진공조(101)의 내부는 진공조(101)의 외측에 설치된 영구자석(127)에 의해 형성된 자기장에 의해 플라즈마(121)가 균일하게 분포된다. 또한, 각각의 시료대(103a, 103b)와 진공조(101) 사이는 차폐막(125)에 의해 플라즈마(121)의 생성이 차단된다(S507).The
각각의 시료대(103a, 103b) 사이의 간격이 고정되고, 고전압 펄스 발생장치(107)가 발생되는 고전압 펄스의 펄스폭을 조절할 수 있도록 구현된 경우, 고전압 펄스 발생장치(107)는 각각의 시료대(103a, 103b) 사이에서의 이차전자(131a, 131b)의 비행시간을 고려하여 공급되는 고전압 펄스의 펄스폭을 결정하며(S509), 결정된 펄스폭으로 각각의 시료대(103a, 103b)에 동일한 음의 고전압 펄스를 인가한다(S511).When the interval between the
고전압 펄스 발생장치(107)에 의해 공급된 음의 고전압 펄스에 의해 플라즈마(121) 내의 이온(129a, 129b)이 대향하는 방향의 시료대(103a, 103b) 및 시료 쪽으로 가속되어 시료의 표면에 주입된다(S513). 이때, 플라즈마 이온(129a)이 대향하는 방향의 시료대(103a) 쪽으로 가속되어 시료대(103a) 및 시료에 충돌하게 되면, 시료대(103a)에 장착된 시료의 표면에 전달된 이온(129a)의 에너지의 일부가 시료의 표면에서 이차전자(131a)를 방출시키게 된다. 방출된 이차전자(131a)는 쉬스(123a)를 지나 플라즈마(121) 쪽으로 가속되며, 플라즈마(121)를 지나 반대편 시료대(103b) 쪽으로 진행한다. 이때, 이차전자(131a)는 반대편 시료대(103b)로 진행하면서 쉬스(123a)와 반대 방향의 전자장을 가진 쉬스(123b)를 지나므로, 감속되어 에너지를 잃게 되고, 충돌시에도 X-선을 방출하지 않게 된다. 또한, 한 쪽의 시료대(103a)에서 방출된 이차전자(131a)는 대향하는 방향의 시료대(103b)에서 방출된 이차전자(131b)와 반대 방향의 전류가 되어 서로 상쇄되므로, 이차전자(131a, 131b)에 의한 순전류의 값을 낮추어주는 역할을 한다. The negative high voltage pulses supplied by the high
이때, 시료대(103a, 103b) 후면에 플라즈마(121)가 발생되면, 플라즈마(121) 발생에 따른 에너지의 손실이 발생하게 된다. 또한, 시료대(103a, 103b)에 음의 펄스가 인가될 때, 시료대(103a, 103b) 후면에 존재하는 플라즈마(121)에 의해 시료대(103a, 103b) 후면으로 의도하지 않은 이온주입이 일어나며, 이에 따른 이차전자(131a, 131b)의 방출로 인해 열손실 및 전류손실, X-선 방출이 발생된다. 따라서, 차폐막(125)은 시료대(103a, 103b)와 진공조(101) 사이에 플라즈마(121)가 발생되는 것을 차단한다.At this time, when the
또한, 이차전자(131a)가 반대쪽 시료대(103b)에 도달하기 전에 고전압 펄스 발생장치(107)에 의해 공급된 펄스의 펄스폭이 중단되면, 펄스폭이 중단된 후 맞은 편 시료대(103b)에는, 펄스가 가해지는 동안에 쉬스(123a)를 지나며 높은 에너지를 얻은 이차전자(131a)를 감속지켜줄 쉬스(123b)가 사라지게 된다. 따라서, 이차전자(131a)는 높은 에너지를 가지고 맞은편 시료대(103b)에 충돌하게 되어 X-선을 방출하게 된다. 또한, 이차전자(131a)에 의한 이차전류가 상쇄되지 않으므로, 고전압 펄스 발생장치(107)에 음의 전류를 흐르게 할 수 있다. 따라서, 고전압 펄스 발생장치(107)는 각각의 시료대(103a, 103b) 사이를 비행하는 이차전자(131a, 131b)의 비행시간보다 충분히 긴 펄스폭을 가진 고전압 펄스를 공급하는 것이 바람직하다. 이때, 각각의 시료대(103a, 103b) 사이를 비행하는 이차전자(131a, 131b)의 비행시간은, 이차전자(131a, 131b)의 비행속도 및 각각의 시료대(103a, 103b) 사이의 간격에 기초하여 산출될 수 있다. 예를 들어, 진공조(101) 내의 이차전자(131a, 131b)의 이동시 충돌(collision)을 고려하지 않는 경우, 이차전자(131a, 131b)의 속도는 다음과 같은 식으로 표현될 수 있다.Further, if the pulse width of the pulse supplied by the high
여기서, v는 이차전자의 속도이며, e는 전하, V는 전압, me는 이차전자의 질량을 나타낸다. 또한, 각각의 시료대(103a, 103b) 사이의 간격은 측정이 가능하므로, 이차전자(131a, 131b)의 비행시간은 각각의 시료대(103a, 103b) 사이의 간격 및 이차전자(131a, 131b)의 속도에 기초하여 산출되며, 고전압 펄스 발생장치(107)는 산출된 이차전자(131a, 131b)의 비행시간을 고려하여 충분히 긴 펄스폭의 펄스를 공급하는 것이 바람직하다. 즉, 펄스폭의 하한선은, 각각의 시료대(103a, 103b) 사이의 간격에서 가해지는 펄스 전압에 따라 발생되는 이차전자(131a, 131b)의 에너지 분포를 고려하여 최고속도 또는 평균속도를 선택하고, 선택된 최고속도 또는 평균속도에 대한 이차전자(131a, 131b)의 비행시간을 계산하면 결정될 수 있다. Where v is the velocity of the secondary electron, e is the charge, V is the voltage, and m e is the mass of the secondary electron. In addition, since the interval between the
이때, 플라즈마 이온 주입장치에서 일반적으로 사용하는 펄스폭은 수㎲ 내지 수십㎲이며, 펄스폭이 지나치게 길 경우 아킹이 발생할 수 있으므로, 고전압 펄스 발생장치(107)는 아킹이 발생되지 않는 범위에서 고전압 펄스의 펄스폭을 결정하는 것이 바람직하다. In this case, the pulse width generally used in the plasma ion implanter is several to several tens of millimeters, and if the pulse width is too long, arcing may occur, so that the high
도 6은 도 4의 플라즈마 이온 주입장치에 의한 플라즈마 이온 주입방법의 다른 실시예를 나타낸 흐름도이다. 6 is a flow chart showing another embodiment of the plasma ion implantation method by the plasma ion implantation apparatus of FIG.
도면을 참조하면, 진공조(101) 내에 설치된 한 쌍의 시료대(103a, 103b)에 표면을 개질하고자 하는 시료를 장착한다(S601). 이때, 고전압 펄스 발생장치(107)에 의해 공급되는 펄스의 펄스폭이 고정된 경우, 각각의 시료대(103a, 103b) 사이의 간격은 공급되는 펄스의 펄스폭 및 전압에 기초하여 소정의 간격으로 조절·유지된다(S603). 이 경우, 각각의 시료대(103a, 103b) 사이의 간격은, 고전압 펄스 발생장치(107)에 의해 공급되는 펄스의 펄스폭이 각각의 시료대(103a, 103b) 사이를 비행하는 이차전자(131a, 131b)의 비행시간보다 충분히 길도록 조절되는 것이 바람직하다. Referring to the drawings, a sample to be modified on the surface is mounted on a pair of
가스 공급부(117)는 진공조(101)의 내부에 플라즈마화하기 위한 플라즈마용 가스를 공급한다(S605). The
RF 안테나(109)는 RF 발생부(115)에 의해 공급된 RF 신호에 따라 진공조(101) 내부에 공급된 가스를 플라즈마(121)로 변환시킨다(S607). 이때, 진공조(101)의 내부는 진공조(101)의 외측에 설치된 영구자석(127)에 의해 자기장이 균일하게 형성되어 있으며, 균일하게 형성된 자기장에 의해 진공조(101)의 내부에는 플라즈마(121)가 균일하게 분포된다. 또한, 각각의 시료대(103a, 103b)와 진공조(101) 사이는 차폐막(125)에 의해 플라즈마(121)의 생성이 차단된다(S609).The
고전압 펄스 발생장치(107)는 각각의 시료대(103a, 103b)에 동일한 음의 고전압 펄스를 인가한다(S611). 고전압 펄스 발생장치(107)에 의해 공급된 음의 고전압 펄스에 의해 플라즈마(121) 내의 이온(129a, 129b)이 대향하는 방향의 시료대(131b, 131a) 및 시료 쪽으로 가속되어 시료의 표면에 주입된다(S613). 이때, 진공조(101), 각각의 시료대(103a, 103b), 플라즈마 변환부(109, 111, 113, 115), 가스 공급부(117), 진공펌프(119), 차폐막(125), 및 영구자석(127)의 기능 및 작용은 상기한 바와 동일하며, 시료에 대한 플라즈마 이온의 주입과정도 상기한 바와 동일하므로, 그 상세한 설명을 생략하였다.The high
도 7은 본 발명에 따른 플라즈마 이온 주입장치의 응용예를 나타낸 도면으로서 도 7a는 필름의 양면처리의 일 실시예를 나타내며, 도 7b는 필름의 단면처리의 일 실시예를 나타내고, 도 7c는 필름의 양면처리의 다른 실시예를 나타낸 도면이다.7 is a view showing an application example of the plasma ion implantation apparatus according to the present invention, Figure 7a shows an embodiment of the double-sided treatment of the film, Figure 7b shows an embodiment of the cross-sectional treatment of the film, Figure 7c is a film Fig. 2 shows another embodiment of the double-sided processing.
필름의 양면을 개질하고자 하는 경우, 진공조(101)의 외측에는 필름(700)의 진입 및 퇴출을 위한 모터(701)를 설치하고, 진공조(101)의 내부에는 적어도 두 쌍의 시료대(103a, 103b, 103c, 103d)를 설치한다. 또한, 진공조(101)의 내부에는 필름이 용이하게 진행할 수 있도록 복수의 롤러(703)를 설치하는 것이 바람직하다. In order to modify both sides of the film, a
진공조(101) 내부로 진입하여 진행하는 필름(700)는 한 쌍의 시료대(103a, 103b) 사이에서 상기한 방법에 의해 일면의 표면이 개질되며, 모터(701)에 의해 다른 쌍의 시료대(103c, 103d)로 이동되어 타면의 표면이 개질된다. 필름의 양면처리를 위하여, 본 발명에 따른 플라즈마 이온 주입장치는 도 7a 및 도 7c에 도시한 바와 같이, 다양한 형태로 구현될 수 있다.In the
필름의 일면의 표면만을 개질하기 위해서, 본 발명에 따른 플라즈마 이온 주입장치는 도 7b에 도시한 형태로 구현될 수 있다. 그러나, 필름의 표면처리를 위한 플라즈마 이온 주입장치의 형태는 이에 한정된 것은 아니며, 다양한 형태의 구현이 가능하다.In order to modify only the surface of one surface of the film, the plasma ion implantation apparatus according to the present invention may be implemented in the form shown in Figure 7b. However, the form of the plasma ion implantation apparatus for the surface treatment of the film is not limited thereto, and may be implemented in various forms.
이상에서 설명한 필름의 표면처리를 위한 플라즈마 이온 주입장치는 정전기 방지 포장재의 정전처리, 고분자 필름의 친수성-소수성을 위한 처리 등에 다양하게 응용될 수 있다.Plasma ion implantation apparatus for the surface treatment of the film described above may be applied to a variety of applications, such as electrostatic treatment of the antistatic packaging material, hydrophilic-hydrophobic treatment of the polymer film.
본 발명에 따른 플라즈마 이온 주입장치는, D-D 핵융합 또는 D-T 핵융합 반응에 의한 중성자 발생장치에 응용될 수 있다. 예를 들어, 각각의 시료대(103a, 103b)를 수소의 흡수가 용이한 필라듐이나 백금으로 구현하고, 가스 공급부(117)는 중수소 또는 삼중수소를 상기 플라즈마용 가스로 공급함으로써, 본 발명에 따른 플 라즈마 이온 주입장치를 중수소 또는 상기 삼중수소를 중성자 원으로 하는 중성자 발생장치로 응용하여 사용할 수도 있다. 이 경우, 각각의 시료대(103a, 103b) 사이의 ICP나 열 필라멘트 또는 열 음극 등 다양한 플라즈마 소스에 의해 형성된 플라즈마의 중수소 또는 삼중수소의 이온은, 쉬스를 지나며 가속되어 높은 에너지를 가지고 금속(시료대 전극) 내에 흡수되어 있는 중수소와 핵융합 반응을 일으키며 중성자를 발생시킬 수 있게 된다. 이를 응용한 중성자 빔 발생원(Neutron beams)은 물질 분석, 생체구조 분석, 폭발물/지뢰 탐지 등에 사용될 수 있다.Plasma ion implantation apparatus according to the present invention can be applied to the neutron generator by the D-D fusion or D-T fusion reaction. For example, each of the
본 발명에 따르면, 플라즈마 이온 주입장치는 진공조 내의 시료대를 서로 대향하는 방향으로 마주하여 설치함으로써, 한 쪽의 시료대 및 시료에서 발생한 이차전자는 반대편 시료대의 쉬스를 통과하여 감속된다. 이로써, 진공조 내측벽으로 손실되는 이차전자에 의한 전류, 이차전류에 의한 열손실 및 X-선의 발생, 및 X-선의 발생에 의한 에너지 손실을 효과적으로 줄일 수 있게 된다.According to the present invention, the plasma ion implantation apparatus is provided with the sample stand in the vacuum chamber facing each other in a direction opposite to each other, so that secondary electrons generated from one sample stand and the sample are decelerated through the sheath of the opposite sample stand. As a result, the current by the secondary electrons lost to the inner wall of the vacuum chamber, the heat loss and the X-ray generation by the secondary current, and the energy loss due to the generation of the X-rays can be effectively reduced.
또한, 본 발명에 따른 플라즈마 이온 주입장치는 필요 이상으로 손실되는 전류를 줄임으로써, 결과적으로 전원공급장치의 효율을 높일 수 있게 된다.In addition, the plasma ion implantation apparatus according to the present invention can reduce the current lost more than necessary, as a result it is possible to increase the efficiency of the power supply.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대해서 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.Although the preferred embodiments of the present invention have been illustrated and described above, the present invention is not limited to the specific embodiments described above, and the present invention is not limited to the specific embodiments of the present invention without departing from the spirit of the present invention as claimed in the claims. Anyone skilled in the art can make various modifications, as well as such modifications are within the scope of the claims.
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