• SRIM Simulation 및 TOF-SIMS 측정 결과로부터 depth profile을 비교하여, 최종적으로 D+빔이 인출되었음을 확인하였다.
• ERD 측정 결과로부터 수소는 정량분석하여 목표조사량의 78%가 주입된 것이 확인되었으며, 중수소는 신호가 수소 오염 신호와 겹쳐 정량 분석에 어려움이 있었다.
• 분자빔(D2+) 인출을 통하여 중수소빔의 조사량 정확도를 확보하고 중수소 이온빔 조사 서비스를 지원할 예정이다.
결 론
ACKNOWLEDGEMENT: This work was supported by the Korea Multi-purpose Accelerator Complex operation fund of Korea Atomic Energy Research Institute, funded by the Korea government-Ministry of Science and ICT.
한국방사선산업학회, Oct. 04-06, 2020, HICO in Gyeongju, Korea
전혜란, 석재권
*, 박준규, 정명환, 양인목, 이재상
경상북도 경주시 건천읍 미래로 181, 한국원자력연구원 가속기이용연구부
기체이온빔장치를 이용한 중수소(D⁺)빔 인출
양성자과학연구단에서는 기체이온빔장치를 이용하여 다양한 분야에 이온빔 이용 연구지원을 하고 있다. 지원 가능 이온종은 7종(H⁺, He⁺, N⁺, Ne⁺, Ar⁺, Kr⁺, Xe⁺)이며, 이온빔의 에너지 영역 은 30 ~ 200 keV이다. 동위원소 이온빔의 경우, 동종이온종임에도 질량 차에 의해 물질의 구조적, 화학적 특성 차이를 유발할 수 있어 물질 연구 분야에서 수소 동위원소빔에 대한 요구가 증대 되고 있다. 본 연구에서는 기체이온빔장치를 활용하여 수소의 동위원소인 D⁺이온빔 인출을 시도하였다.
DuoPIGatron 이온원을 이용하여 H⁺와 D⁺빔을 인출하였다. 이온빔의 에너지는 30 keV, 조사량은 1 × 1016 ions/cm²으로 동일하게 설정하고, 질량분리전자석을 이용하여 H⁺와 D⁺빔을 구분 하였다. 조사한 시료에 대한 분석은 TOF-SIMS(Time-of-Flight Secondary Ion Mass Spectrometry) 및 ERD(Elastic Recoil Detection)를 이용하였다. 이온 주입의 depth profile과 SRIM
Simulation 결과를 비교하여 최종적으로 중수소빔이 인출되었음을 확인하였으며, 향후 중수소의 분자빔 인출을 추가로 수행하고 이를 기반으로 수요에 따라 빔서비스를 제공할 예정이다.
초 록
SRIM simulation & TOF-SIMS data 비교
1. 두 이온종 모두 SRIM simulation과 SIMS depth profile이 유사함을 확인할 수 있었다.
2. H⁺는 정량 및 정성분석이 가능하였지만, D⁺의 경우 측정 장치의 Calibration이 불가능하 여 정성분석만 가능하였다.
ERD 측정결과
1. H⁺는 정량분석이 가능하였으며, 의도한 조사량의 78%가량 주입된 것으로 확인되었다.
2. 800 keV 영역에서 측정된 수소는 시료 표면의 수소 오염에 의한 결과이다.
3. D⁺의 경우 표면 수소 오염과 에너지 영역 분리가 어려워, 피팅을 통해 D+에 해당하는 양을 추론하였다.
4. 중수소 정량분석을 위하여 30 keV D2+ 분자빔을 인출하여 측정해 볼 예정이다.
(수소 오염 신호와 중수소 신호 분리 가능)
실험결과
결정구조를 갖는 물질에 고에너지 이온빔을 조사 할 경우, 이온의 침투에 의해 결정성이 낮 아지고, 표면의 손상 또한 갖게 된다. 이는 동종이온종임에도 질량 차에 의해 표면의 구조적, 화학적 특성 영향에 대한 차이를 유발할 수 있다. 중수소는 수소 질량의 2배를 갖기 때문에, 물질에 조사할 경우 결정 손상이 심하고 수소의 경우와 다른 화학적 결합 형태를 유도할 수 있음이 알려졌다 [1]. 따라서 중수소 이온 조사 연구는 질량 차에 의한 물질 표면 영향의 차 이를 유발할 수 있다는 점에서 중요한 의미를 갖는다.
중수소 이온 주입은 수소 이온 주입에 대한 결과와 비교하며 표면을 분석하는 연구 등에 활 용되고 있다. 기체이온빔장치를 이용해 현재 인출 가능한 수소 빔에 추가로 신규이온종인 중 수소 빔을 인출하였다.
서 론
특 성 규 격
조사이온 H⁺, He⁺, N⁺, Ne⁺, Ar⁺, Kr⁺, Xe⁺
인출에너지(질소기준) 30 ~ 200 keV
빔 균일도 및 조사영역 ±10 % @ 5 cm x 5 cm
최대 조사량(질소기준,1일) 5 × 1016 ions/cm²
장치크기 7.5 M(L) x 2.6 M(W) x 2.2 M(H)
양성자과학연구단 기체이온빔장치의 구성 및 제원
장치현황
• 실험개요
실험 과정
Silicon wafer (1cm x 1cm)
① H⁺, 30 keV,
1×10
16ions/cm²
Silicon wafer (1cm x 1cm)
② D⁺, 30 keV,
1×10
16ions/cm²
[email protected]
, phone: +82-54-750-5307Depth 비교
0 100 200 300 400 500
1x1020 2x1020 3x1020 4x1020 5x1020 6x1020 7x1020 8x1020 9x1020 1x1021
Concentration (atoms/cm3 )
Depth (nm)
[SIMS]30keV H_1e16 [SRIM]30keV H_1e16
0 100 200 300 400 500 600 700
1x1020 2x1020 3x1020 4x1020 5x1020 6x1020 7x1020
Concentration (atoms/cm3 )
Depth (nm)
[SIMS]30keV D_1e16 [SRIM]30keV D_1e16
0 400 800 1200 1600 2000 2400
20 40 60
Energy(KeV)
# S01 - ERD Layer 1
Thick 9.00 x1017 atoms/cm2 Composition Si
1 H
0.003
Layer 2
Thick 6.00 x1017 atoms/cm2 Composition Si 1 H 0.013
Raw data
Simulation data
Counts
Surface
contamination
7.8 x 1015 H+/cm2
0 400 800 1200 1600 2000 2400
20 40 60 80 100
120 Raw data
Implanted D+
Surface contamination Simulation
Energy(KeV)
Counts
H⁺빔 & D⁺빔의 구분
질량분리전자석을 통해 질량에 따라 정해진 자기장 값을 인가하여, 두 이온종을 구분하였다.
실험과정
D+빔 인출 H+빔 인출
실험과정
[1] J. K. Park et al. J. Appl. Phys. 114, 214310 (2013)]
참고문헌
양 성 자 과 학 연 구 단
