KR20000048121A - 이온빔 가공장치 및 그 이온원의 운전방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 파티클에 의한 브레이크다운의 발생빈도를 저감하고, 장치의 장시간 안정된 상태에서의 운전, 장치청소작업 등의 메인티넌스작업의 최소화에 의한 장치가동시간의 향상을 도모하는 것이다.

이를 위하여 본 발명에서는 진공용기중에 가스를 도입하고, 그 가스를 플라즈마화하여 전계를 부여하고, 그 플라즈마중의 이온을 이온빔으로서 인출하는 이온원(1)으로서, 그 이온전원이 아크전원(7)과 이온빔을 인출하기 위하여 가속전극(2)에 양의 전위를 인가하는 가속전원(8)과 전자의 유입을 방지하기 위하여 감속전극(3)에 음의 전위를 인가하는 감속전원(9)을 구비하여 구성되고, 그 이온원을 운전할 때에는 상기 가속전극에 상기 양의 전위를 인가한 후에 상기 감속전극에 상기 음의 전위를 인가하도록 한 이온빔가공장치 및 그 이온원의 운전방법.

Description

이온빔 가공장치 및 그 이온원의 운전방법{ION BEAM PROCESSING APPARATUS AND METHOD OF OPERATING ION SOURCE THEREFOR}

본 발명은 이온빔 가공장치 및 그 이온원의 운전방법에 관한 것으로, 특히 이온빔 밀링이나 이온빔 스패터 등의 이온빔 가공장치에 사용되는 이온원에 있어서 생성된 플라즈마중의 이온을 이온빔으로서 인출하는 이온원의 운전방법 및 그 이온원을 사용한 이온빔 가공장치의 운전방법에 관한 것이다.

이온빔가공장치는 플러스의 이온이 사용되고, 이 이온빔을 피가공물에 충돌시키면 피가공물의 표면에 플러스의 전하가 축적되기 때문에 계속하여 충분한 이온빔을 피가공물의 가공개소에 충돌시킬 수 없게 된다. 이 때문에 종래에는 피가공물의 표면에 전자를 조사하여 피가공물 표면을 전기적으로 중성으로 유지하기 위한 뉴트럴라이저가 구비되어 있다.

뉴트럴아이저는 피가공물의 가공에 앞서 피가공물을 수용하는 처리실을 전자로 채워두고, 이온빔을 피가공물에 조사함과 동시에, 피가공물 표면의 중화를 개시할 수 있도록 동작된다.

종래에는 통상, 이온원을 기동할 때에는 이온생성부에서는 플라즈마를 생성하여 이온을 발생시키고 있고, 한편, 처리실에서는 뉴트럴라이저에 의하여 전자가 생성되고 있다. 이 때문에 전자가 처리실로부터 이온생성부로 유입하는 것을 방지하는 차폐효과를 가지게 하는 것이 요구된다. 그와 같은 차폐효과를 가지게 하기 위하여 처음에 이온원 전원의 감속전원을 상승시켜 감속전극에 음의 전압을 인가하고, 그 후에 가속전원을 상승시켜 가속전극에 양의 전압을 인가하고 있다.

그러나 상기와 같은 이온원 운전방법을 이온빔 가공장치에 적용한 경우, 이온원의 전극부에 파티클이 부착하여 가속전극과 감속전극 사이가 단락되면, 최초에 상승되는 감속전원이 반복하여 브레이크다운되는 일이 있다.

이온원 전원의 브레이크다운의 원인의 대부분은 이온원 전극부에 있어서의 파티클에 의한 이온원 전극부에서의 단락에 의한 것이나, 파티클은 대부분의 경우, 처리실 내부 벽면에 부착한 스패터퇴적물이 박리된 도전성 물질이며, 이와 같은 파티클이 이온전원의 가속전극과 감속전극의 부분에 부착하고 있는 상태에서 이들 전극에 전압이 인가되면, 2개의 전극사이가 단락상태로 되어 이온원 전원에 단락전류가 흘러 과전류검지에 의하여 동전원은 정지하고, 다시 일정시간후에 전압인가를 행하다는 동작이 반복되어 이 단락상태의 원인인 파티클이 단락전류에 의하여 소실 또는 제거되기 까지 이 동작이 반복된다.

통상, 이온원 전원의 가속전원과 감속전원의 전류용량은 가속전원의 쪽이 감속전원보다 대용량으로 구성되어 있다. 예를 들어 가속전원은 최대출력 1.3kv, 3A인데 대하여, 감속전원은 최대출력 500V, 0.2A 등의 조합이다. 이것은 가속전원은 이온빔 인출시에 이온빔전류를 흘릴 필요가 있으나, 감속전원에는 대부분 이온빔에 의한 전류를 흘릴 필요가 없기 때문에, 이온원 전원전체의 구성의 최적화를 도모하데 있어 이들 전원을 같은 용량으로 할 필요가 없음에 의한 것이다.

또 일반적으로 각 전원의 과전류검출치는 각각의 전원의 정격 최대전류치에 비례하도록 설정되어 있기 때문에, 전류용량이 보다 작은 전원은, 보다 작은 과전류로 과전류검지가 동작하게 된다. 그 때문에, 이온원 전극부에 파티클이 존재하는 경우, 감속전압인가시, 파티클을 통하여 단락전류가 흐르고, 감속전원의 과전류검지에 의하여 동전원은 일단 정지, 일정시간후 다시 감속전압이 인가한다는 동작을 반복하여 좀처럼 가속전원의 상승에 이르지 못한다.

또한 파티클의 크기가 작은 경우, 파티클에 단락전류가 흐르면, 파티클은 타게 되어, 전극부로부터 파티클은 제거되나, 파티클이 어느정도의 크기를 가지는 경우, 용량이 작은 감속전원을 흐르는 단락전류에서는 파티클을 모두 태우지 못하기때문에, 전극부에 남고, 이온원은 과전류검출, 트립(브레이크다운), 재상승이라는 동작을 반복한다.

이들 장치를 사용하는 자에 있어서는 장치의 장시간 안정된 상태에서의 운전, 장치청소작업 등의 메인티넌스작업의 최소화, 그것에 따르는 장치가동시간의 향상을 도모하는 것이 중요하며, 그것을 위해서는 브레이크다운의 발생빈도를 매우 적게 하여 장치를 안정된 상태로 조기에 상승시켜 안정된 운전상태를 유지하는 것이 중요하다.

일반적으로, 장치내부 청소작업후 또는 이온원 전극청소작업후의 장치운전개시시에는 이온원 전극부에서의 파티클이 원인으로, 이온전원의 브레이크다운이 빈발하나, 종래의 이온원 전원의 운전방법에서는 브레이크다운의 원인이 되는 파티클이 이온원 전극부로부터 제거되기 어려워 브레이크다운이 속발하고, 브레이크다운이 거의 없는 안정된 운전상태에 도달하기 위해서는 장시간을 요하며, 경우에 따라서는 이와 같은 사태를 개선하기 위하여 이온원 전극부를 빈번하게 청소작업할 필요가 있어, 장치가동시간을 향상시키는 것이 곤란하였다.

본 발명의 목적은 상기 종래기술의 문제점을 감안하여 브레이크다운의 발생빈도를 저감하여 이온원의 상승을 원활하게 함과 동시에, 이온원 전극부의 청소작업 등의 메인티넌스성, 장치신뢰성 및 장치가동율의 향상을 도모하는 이온빔 가공장치 및 그 이온원의 운전방법을 제공하는 데 있다.

도 1은 본 발명에 관한 이온빔 가공장치의 구성을 나타내는 도,

도 2는 본 발명의 운전순서를 나타내는 타임차트,

도 3은 본 발명의 운전동작순서를 나타내는 플로우도이다.

본 발명에 의하면, 진공용기중에 가스를 도입하고, 그 가스를 플라즈마화하여 전계를 부여하며, 그 플라즈마중의 이온을 이온빔으로서 인출하는 이온원으로서 그 전원이 아크전원과, 이온빔을 인출하기 위하여 가속전극에 양의 전위를 인가하는 가속전원과, 전자의 유입을 방지하기 위하여 감속전극에 음의 전위를 인가하는 감속전원을 구비하며, 그 이온원 전원을 운전할 때에는 상기 가속전극에 상기 양의 전위를 인가한 후 또는 이것과 동시에 상기 감속전극에 상기 음의 전위를 인가하도록 하고 있다.

도 1은 본 실시형태에 관한 이온빔가공장치의 구성을 나타내는 도이다.

상기 도면에 있어서, 1은 이온원이고, 이온원(1)은 양의 전위가 인가되는 가속전극(2)과, 음의 전위가 인가되는 감속전극(3)과, 이온원실(4)과, 열전자를 방출하는 필라멘트(5)를 구비하고 있다. 6은 필라멘트(5)를 가열하는 필라멘트전원, 7은 이온원실(4)내에 플라즈마를 생성하기 위한 아크전원, 8은 이온빔을 인출하기 위하여 가속전극(2)에 가속용 전압을 인가하는 가속전원, 9는 처리실(11)측으로부터 이온원실에 대한 전자의 유입을 방지하기 위하여 감속전극(3)에 감속용 전압을 인가하는 감속전원, 10은 각 전원(6, 7, 8, 9)을 운전하는 제어장치, 11은 처리실이다.

처리실(11)에는 피가공물(12)을 얹어 놓는 유지체(13)와, 전자를 발생하는 뉴트럴라이저(14)와, 이온빔이 피가공물에 조사되지 않도록 하는 셔터(15)를 수용하고 있다. 16은 뉴트럴라이저용 전원, 17은 셔터구동장치이다. 전원(16)과 셔터구동장치(17)는 제어장치(10)에 의하여 제어된다.

이온원(1)은 처리실(11)에 설치되어 진공용기를 형성하는 상태로 사용된다. 또 제어장치(10)는 필라멘트전원(6), 아크전원(7), 가속전원(8), 감속전원(9), 뉴트럴라이저용 전원(16) 및 셔터구동장치의 인가전압, 발생전류 또는 동작타이밍을 제어한다.

종래의 운전순서는 이온원(1) 내부에 플라즈마발생용 가스를 도입하여 소정압이 된 후, 필라멘트(5)를 통전하고, 다음에 감속전원(9)을 상승하여 감속전극(3)에 감속전압을 인가한다. 그후, 가속전원(8)을 상승하여 가속전압을 가속전극(2)에 인가하고, 마지막으로 아크전압(7)을 인가하여 플라즈마를 생성하여 이온빔을 인출하고 있다. 이 운전방법에서는 앞서 설명한 바와 같이, 파티클이 이온전원의 가속전극(2)과 감속전극(3)의 부분에 부착하고 있던 경우, 이 상태에서 감속전극에 전압을 인가하면, 가속전극(2)과 감속전극(3)의 사이가 단락상태가 되어 감속전원에 단락전류가 흐르고, 과전류가 검지되어 감속전원이 정지된다. 그리고 일정시간 경과후, 감속전원은 재기동되어 감속전극에 전압을 인가한다는 동작을 반복한다.

도 2는 본 발명에 관한 이온원 전원의 운전순서를 설명하는 도이다.

이 운전순서는 화살표로 나타내는 바와 같이, 이온원(1)내부에 플라즈마발생용 가스를 도입하여 소정압으로 된 후, 필라멘트(5)를 통전하고, 다음에 가속전원 (8)을 상승시켜 가속전압을 가속전극(2)에 인가하고, 그후 감속전원(9)을 상승시켜감속전극(3)에 감속전압을 인가한다. 마지막으로 아크전압(7)을 인가하여 이온빔을 인출하는 순서로 되어 있다.

이상은 본 발명의 기본적인 원리 및 동작을 도 2에 나타내는 타임차트에 의거하여 설명한 것이나, 다시 도 3에 나타내는 플로우차트에 의거하여 본 발명의 전체적인 바람직한 동작순서를 설명한다.

도 3은 도 1의 제어장치(10)의 동작을 나타내는 플로우차트이다. 상기 도면에 있어서, 제어장치(10)의 동작을 스타트하면, 먼저 스텝 30에서 셔터구동장치 (17)에 셔터(15)를 삽입시켜 피가공물(12)에 이온원측으로부터의 이온이나 전자가 조사되지 않도록 한다. 다음에 스텝 31에서 플라즈마발생용 가스를 이온원(4)내에 도입한 후, 필라멘트(5)를 통전하도록 필라멘트전원(6)을 동작시킴과 동시에, 아크전원(7)에 아크전압을 공급시킨다. 그리고 스텝 32에서 가속전극(2)에 가속전압을 공급하도록 가속전원(8)을 동작시키고, 이어서 스텝 33에서 감속전극(3)에 감속전압을 공급하도록 감속전원(9)을 동작시킨다. 다시 스텝 34에서 뉴트럴라이저용 전원(16)에 뉴트럴라이저(14)를 통전시켜 피가공물 표면의 중화용 전자를 발생시킨다.

이상의 일련의 동작에 의하여 이온원의 기동의 준비가 완료된다. 계속해서 스텝 35에서 셔터(15)를 제거시키도록 셔터구동장치를 구동시키고, 스텝 36의 피가공물의 가공작업으로 진행한다.

이 운전순서에 의하면, 가속전극(2) 및 감속전극(3)의 부분에 파티클이 부착한 상태에서 먼저 전원용량이 큰 가속전원(8)으로부터 가속전압이 인가되기 때문에, 파티클을 거쳐 가속전극(2)과 감속전극(3)사이가 단락상태가 되어 가속전원(8)에 의하여 단락전류가 흐르고, 과전류검지에 의하여 가속전원(8)이 출력정지하기 까지 전극(2, 3)에 있는 파티클에는 단락전류가 계속 흐르게 된다. 가속전원(8)의 정격최대전류치는 수암페어정도 있기 때문에 단락전류도 정격최대전류치보다 약간 큰 과전류설정치 예를 들어 정격최대전류치의 120%에 이르기까지 가속전원(8)은 트립하지 않는다.

이와 같이, 본 실시예의 이온원 전원의 운전방법에 의하면, 가속전원(8)의 전원용량이 크기 때문에 단락전류가 크고, 또 그것에 따라 과전류검출하기 까지의 시간이 종래의 이온원 전원의 운전방법보다 길게 할 수 있다. 이에 의하여 전극 (2, 3)의 단락원인으로 되어 있는 파티클에는 종래의 운전방법에 비하여 큰 단락전류를 보다 장시간 흘릴수 있다. 이 단락전류의 통전에 의한 발열에 의하여 파티클은 고온이 되어 용단되거나 또 진공중이기 때문에 증발하여 전극(2, 3)의 단락상태가 효율적으로 해소된다.

또한 본 실시형태에 의하면, 전원용량이 큰 가속전원(8)에 의하여 보다 큰 단락전류를 보다 장시간 흘릴 수 있기 때문에, 같은 크기의 파티클이면 보다 단시간으로 파티클을 제거할 수 있고, 또 종래에는 전류가 작았기 때문에 제거할 수 없었던 보다 큰 사이즈의 파티클도 제거할 수 있다. 그 결과, 브레이크다운이 발생하였다고 하여도 단시간에 해소할 수 있고, 또 브레이크다운 해소를 위한 이온원 전극의 청소작업 등의 메인티넌스작업의 빈도를 저감할 수 있다.

또한 본 실시형태에서는 가속전원(8)을 상승시켜 가속전압을 가속전극(2)에 인가후, 감속전원(9)을 상승시켜 감속전극(3)에 감속전압을 인가하였으나, 가속전원(8)과 감속전원(9)을 동시에 상승시켜 가속전극(2) 및 감속전극(3)에 각각 가속전압 및 감속전압을 인가할 수도 있다. 이 경우는 가속전극(2)과 감속전극(3)사이에는 가속전원(8)과 감속전원(9)의 가산된 전압이 인가되기 때문에, 더 한층 단락전류를 크게 할 수 있어 파티클제거를 단시간에 행하게 할 수 있다.

본 발명에 의하면, 이온원 전원의 전압의 인가순서를 가속전압의 인가후 또는 동시에 감속전압을 인가하도록 운전제어함으로써 이온빔가공장치 등에서 문제가 되는 이온원에서 발생하는 브레이크다운, 특히 이온원 특유의 전극부에 발생하는 파티클에 기인하는 브레이크다운의 발생빈도를 저감하여 이온원의 상승을 원활화함과 동시에, 이온원 전극부의 청소작업 등의 메인티넌스성 향상, 장치신뢰성향상, 장치가동율향상 등, 안정된 장치운전을 실현하는 것이 가능하게 된다.

Claims (7)

1. 이온빔가공장치용 이온원의 운전방법으로서,

   상기 이온원(1)은 아크전원(7)과, 이온빔을 인출하기 위하여 가속전극(2)에 양의 전압을 인가하는 가속전원(8)과, 이온원에 대한 전자의 유입을 방지하기 위하여 감속전극(3)에 음의 전압을 인가하는 감속전원(9)을 구비하고, 그 이온원내에 가스를 도입하여 그 가스를 플라즈마화하여 전계를 부여하고, 그 플라즈마중의 이온을 이온빔으로서 인출하도록 구성되어 있으며,

   상기 가속전원이 상기 가속전극에 양의 전압을 인가한 후에 상기 감속전원이 상기 감속전극에 음의 전압을 인가하도록 한 것을 특징으로 하는 이온빔가공장치용 이온원의 운전방법.
2. 이온빔 가공장치용 이온원의 운전방법으로서,

   상기 이온원(1)은 아크전원(7)과 이온빔을 인출하기 위하여 가속전극(2)에 양의 전압을 인가하는 가속전원(8)과, 이온원에 대한 전자의 유입을 방지하기 위하여 감속전극(3)에 음의 전압을 인가하는 감속전원(9)을 구비하고, 그 이온원내에 가스를 도입하여 그 가스를 플라즈마화하여 전계를 부여하고, 상기 플라즈마중의 이온을 이온빔으로서 인출하도록 구성되어 있으며,

   상기 가속전원이 상기 가속전극에 양의 전압을 인가함과 동시에, 상기 감속전원이 상기 감속전극에 음의 전압을 인가하도록 한 것을 특징으로 하는 이온빔가공장치용 이온원의 운전방법.
3. 이온빔 가공장치용 이온원의 운전방법으로서,

   상기 이온원(1)은 아크전원(7)과 이온빔을 인출하기 위하여 가속전극(2)에 양의 전압을 인가하는 가속전원(8)과 이온원에 대한 전자의 유입을 방지하기 위하여 감속전극(3)에 음의 전압을 인가하는 감속전원(9)을 구비하며, 그 이온원내에 가스를 도입하여 그 가스를 플라즈마화하여 전계를 부여하여 그 플라즈마중의 이온을 이온빔으로서 인출하도록 구성되어 있고,

   상기 가속전원이 상기 가속전극에 양의 전압을 인가한 후에 상기 감속전원이 상기 감속전극에 음의 전압을 인가하는 제 1 스텝과,

   상기 가속전원이 상기 가속전극에 양의 전압을 인가함과 동시에, 상기 감속전원이 상기 감속전극에 음의 전압을 인가하는 제 2 스텝을 가지며, 상기 제 1 스텝 및 상기 제 2 스텝의 한쪽을 선택적으로 실행하도록 한 것을 특징으로 하는 이온빔가공장치용 이온원의 운전방법.
4. 이온빔가공장치의 운전방법으로서,

   상기 이온빔가공장치는 이온원(1)과 처리부(11)를 가지고,

   상기 이온원은 아크전원(7)과 이온빔을 인출하기 위하여 가속전극(2)에 양의 전압을 인가하는 가속전원(8)과, 이온원에 대한 전자의 유입을 방지하기 위하여 감속전극(3)에 음의 전압을 인가하는 감속전원(9)을 구비하며, 그 이온원내에 가스를 도입하여 그 가스를 플라즈마화하여 전계를 부여하고, 그 플라즈마중의 이온을 이온빔으로서 인출하도록 구성되어 있고,

   상기 처리부는 피가공물(12)을 유지하는 유지체(13)와, 이온 및 전자가 처리체에 조사되지 않도록 하기 위한 셔터(15)와, 피처리물 표면의 전기적 중화를 하기 위한 전자를 발생하는 뉴트럴라이저(14)를 가지며,

   상기 가속전원이 상기 가속전극에 양의 전압을 인가하는 제 1 스텝, 그 제 1 스텝의 실행후에 상기 감속전원이 상기 감속전극에 음의 전압을 인가하는 제 2 스텝, 그리고

   상기 제 2 스텝을 실행후에 상기 뉴트럴라이저를 기동하는 제 3 스텝을 가지는 것을 특징으로 하는 이온빔가공장치용 이온원의 운전방법.
5. 제 4항에 있어서,

   상기 제 1 스텝의 실행전에 상기 셔터를 삽입하여 이온이 상기 피가공물에 조사되지 않도록 하는 스텝을 가지는 것을 특징으로 하는 이온빔가공장치용 이온원의 운전방법.
6. 제 5항에 있어서,

   상기 제 3 스텝의 실행후에 상기 셔터를 제거하는 스텝을 가지는 것을 특징으로하는 이온빔가공장치용 이온원의 운전방법.
7. 제 4항에 있어서,

   상기 제 3 스텝을 실행후에 상기 피가공물의 가공작업을 실행하는 스텝을 가지는 것을 특징으로 하는 이온빔가공장치용 이온원의 운전방법.