양성자과학연구단의 금속 이온빔 장치 타겟 시스템 개선

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 양성자과학연구단에는 수백 keV급의 기체/금속 이온 주입 장비를 이용하여 많은 연구를 지원하고 수행하고 있다. 이런 이온빔 장치는 표면 개질, 위상/양자 물질, 자성체 그리고 생체적합성 연구등에 활용되어 지고 있다. 그 중 금속이온빔 장치는 금속염화물 이용하여 금속 이온을 인출하는 장비로 최대 150 keV의 에너지와 1 mA의 인출 전류를 가진다. 주로 Cu

⁺

, Co

⁺

, Cr

⁺

, 그리고 Fe

⁺

이온을 가속하여 빔 조사 서비스 하고 있으며 Ni

⁺

, Mn

⁺

, Mg

⁺

, Cl

⁺

, Ti

⁺

그리고 Ca

⁺

등 신규 이온종을 인출하여 활용 연구 영역을 확장하고 있다. 이런 금속 이온빔은 높은 질량 에 의해 시료의 손상위험이 높으며 또한 샘플과 빔 선량 측정 장치가 동일 선상에 위치하고 있어 샘플에 빔을 조사하기 전 조건을 확정한 후 샘플을 설치하여야 하는 불편함이 존재한다. 이를 개선하기 위하여 금속 이온빔 장치의 타겟 시스템의 개선을 진행하였다. 고온조사 시료대를 설치하여 빔 조사시 시료를 고온으로 유지하여 시료 손상의 확률을 낮추고 리볼버형 시료 교환 장치를 설치하여 여러 시료를 진공 파기 없이 조사할 수 있도록 개선하였다. 마지막으로 빔 조사량을 측정하기 위한 패러데이 시스템을 개선하여 보다 정확한 조사량과 빔 조사 중에도 샘 플의 영향 없이 조사량 조건을 확인할 수 있도록 하였다.

금속 이온빔 장치

*주저자: [email protected], phone: +82-54-750-5311

양성자과학연구단의 금속 이온빔 장치 타겟 시스템 개선

황용석

^*

, 석재권, 김초롱, 양인목, 이찬영, 하준목.

한국원자력연구원 양성자과학연구단, 경주 미래로 181

www.komac.re.kr

2020 방사선산업학회, 2020. 11. 4-6., Online

Acknowledgement : This work was supported by the National Research Foundation of Korea (NRF) grant (No. NRF-2020M2A2B3A01072437) and the KOMAC (Korea Multi-purpose Accelerator Complex) operation fund of KAERI (Korea Atomic Energy Research Institute), funded by the Korea government-MSIT (Ministry of Science and ICT).

결론

Accelerator Application Research Division

 Bernas 이온원 [1] : 순물질 보다 녹는점이 낮은 금속 염화물을 도가니에 넣고 녹 여 나오는 증기로 방전함에서 이온화함. 방전함은 고밀도그라파이트 재질로 이루어 져 있으며 금속증기와 화학, 물리 반응을 줄이기 위하여 Cathode 가열을 간접적으 로 사용하여 필라멘트의 수명을 늘림

 오븐 히터: 최대 800 ℃

 방전 전압 : 100 V

 인출 전압 : 9 ~ 13 kV

 질량분리전자석 : 금속염화물을 인출하게 되면 다량의 Cl⁺과 분자빔이 같이 나옴.

자기장을 이용하여 원하는 이온종만 가속관으로 입사시키기 위함

 @20 kV/100 amu

 가속관 : 인출된 이온빔을 가속시키기 위한 장비로 분전저항을 통해 전기장을 균일 하게 걸어준다.

 최대 150 kV 가속

 이중 사극전자석 : 가속된 빔은 같은 전하를 띄고 있어 점점 발산하게 된다. 타겟까 지 빔을 모으기 위하여 두개의 4극 전자석을 이용하여 가로축과 세로축 방향으로 빔을 집속 시킴

 빔 스캐너 : 샘플에 단위면적당 균일한 빔을 주입하기 위한 장비로 전기장을 이용 하여 가로축과 세로축 방향으로 빔을 흔들어 준다.

 최대 면적 10



10 cm²

2018년 이전 현 재 (2020년 10월 기준) 금속

이온빔 장치

Cr⁺, Fe⁺, Co⁺, Cu⁺ (4종)

Mg⁺, Cl⁺, Ca⁺, Ti⁺, Cr⁺, Mn⁺, Fe⁺, Ni⁺, Co⁺, Cu⁺, Zn⁺,

MgCl⁺(12종)

 그래핀, 자성체, 위상 물질 연구

 Ti, Ni, Zn 신규 추가

 생체 적합성 소재 연구 :

 Mg, Ca, MgCl 신규 추가

 보석 발색

 Mn 신규 추가

인출 가능 이온종

타겟 시스템

기존 타겟 시스템

 선량측정 용 패러데이컵 : 빔에 의해 영구 자석의 성능이 ½으로 저하

 샘플 홀더 : 선량 측정장치와 샘플 홀더가 같은 면에 존재하여 빔조사조건 확인시 샘플 설치가 불가능. 저선량 빔조사시 초 기 샘플에서 발생하는 아웃개싱에 의해 조사량 측정의 오차가 큼

 샘플 모니터링 : 카메라와 샘플이 90도로 위치하여 거울이 필요함. 스퍼터링에 의 해 표면오염으로 잦은 교체가 필요

개선된 타겟 시스템

 고온 조사 모듈 : 샘플 손상 방지, 재료손상연구의 이용자 요구에 의하여 구축 - 열선 재질 : MI 히터

- 최대 온도 : 800도

- 시료 홀더 크기 : 직경 2인치 - 균일 온도 영역 : 직경 1인치

 시료 교환 장치 :

- 홀더 사이즈 : 직경 4인치 - 홀더 개수 : 5개

- 7° Tilt : 채널링 효과 방지

 4개 패러데이컵

- 억제 전극(전기장)으로 이차전자를 억제하도록 개선 : 성능저하의 우려 없음 - 콜리메이터를 설치하여 일정한 구역에 빔이 조사되도록 개선

<빔 조사위치 :고온조사시 시 료 홀 더 를 개방>

<개선된 페러데이 컵>

<리볼버형 시료 교체장치>

<기존 타겟 챔버 사진> <기존 샘플홀더와 패러데이컵>

<고온 조사용 모듈>

<시창에서 바라본 내부>

<고온조사 챔버 전체 크기>

<장치 제어/모니터링 시스템>

400 800 1200 1600 2000

10 20 30 40 50 60

70 # Co - RBS

Layer 1

Thick 1.70 x10¹⁷ atoms/cm² Composition Si ₁Co _0.025 Layer 2

Thick 4.50 x10¹⁷ atoms/cm² Composition Si ₁Co _0.065 Layer 3

Thick 2.00 x10¹⁷ atoms/cm² Composition Si ₁Co _0.020

Raw data Simulation data

Normalized Yield

Energy(KeV)

 선량측정장치 검증 - 억제 전압 : -50 V

- 측정 장치 : Ortec 439 - 주입 이온 : Co⁺

- 주입량 : 4E16 ions/cm²

- 측정 방법 : 러더퍼드 후방산란 분석 - 측정량 : 3.75E16 ions/cm² ^(93.75%) - 오차 원인 : 측정장치와 샘플 간격에

따른 빔 퍼짐

 금속 이온빔 장치는 산·학·연 연구 이용자의 요구를 만족하기 위해 다양한 이온종을 인출 하는 연구를 진행하였고 그 결과 2018년 대비 많은 신규이온종을 추가하였다.

 금속 이온빔 장치는 최근 많은 이용자 수요에 대응하기 위하여 시료 교환장치를 구축하였다.

 반도체 연구 및 제료연구의 서비스 품질을 높이기 위하여 재료손상방지를 위한 고온조사 시료를 구축하였다.

 빔 조사 측정시스템을 개선하여 성능 저하 없는 일정한 조사선량을 제공할 수 있다.