알에프큐 가속기 및 이온 주입장치

알에프큐 가속기 및 이온주입장치.

상기 RFQ가속기는 이온빔을 집속시켜 가속하는 것이 가능하여, 대전류의 이온빔을 발산시키지 않고 가속하는 것이 가능하고, 높은 에너지이온주입장치의 높은 에너지이온가속관등에 사용할 수 있다. 또한, 이와 다른 실험용, 분석용 및 의료용 이온가속기로도 사용할 수 있다.

대표적인 하전립자의 가속기로는 사이클로트론과 같은 빔을 원운동시켜 가속하는 것과 같은 원형가속기와, 직선운동을 시켜 가속시키는 선형가속기가 있는 데, 상기 RFQ가속기는 상기 선형가속기의 하나이다. 선형가속기의 경우, 구멍이 있는 전극사이에 직류고전압을 인가시켜 이온을 가속시키는 것을 원리로 한다. 이 경우, 가속에너지를 qV라고 하면, 고전압V를 발생시키는 직류전원이 필요하다. 그러므로, 상기 높은 에너지이온주입장치에 필요한 여러 MeV의 가속을 위해서는 MV급의 고전압의 전류가 필요하므로, 전원부분이 큰 공간을 차지한다. 또한, 이와 같은 높은 에너지의 가속을 행하는 가속기에는 빔이 통과하는 진공용기도 큰 용적을 필요로 한다. 그러므로, 이와 같은 고에너지가속기는 거대하고, 더구나 고가의 장치여서 얻기 힘들다.

한편으로, 근자에는 반도체산업에 있어서도, 상기 여러 MeV의 고에너지로 이온주입을 하고자 하는 수요가 증가하고 있다. 그러므로, 산업화에 있어서 생산비를 무시하는 대형장치는 수요자의 요구를 충족시키지 못하므로, 보다 소형으로 고에너지에서 가속가능한 신규의 가속기가 요구된다.

그래서, 이와 같은 용도에 적합한 가속기로 상기 RFQ가속기가 주목되고 있다. 이 RFQ가속기는 비교적 새로운 선형가속기의 하나로서, 그 개략적인 구성은 4개의 전극을 정사각형의 정점에 해당하는 위치에 배치하고, 대각선상의 전극을 서로 연결시켜서, 인접전극간에 무선고주파 (radio -frequency)전압이 여기하도록 하는 것이다.

다시 말하면, 4개의 전극은 4중극을 형성한다. 그리고, 무선 고주파(Radio-Frequency)를 인접전극간에 인가한다. 직류의 고전압을 빔진행방향으로 이격시킨 전극간에 인가하지 않고, 빔진행방향에 평행한 4개의 전극간에 무선 고주파를 여기한다. 이상과 같이, 무선 고주파를 4중극전극에 인가시키는 무선 고주파 4중극(Radio-Frequency Quadrapole)을 줄여서 RFQ라고 칭한다.

상기 RFQ가속기는 캅친스키와 테플리야코프에 의해 최초로 제안된 것이다 (I. Kapchinskii and V. Teplyakov Pub. Tekh, Eksp. 2 (1970) p19). 그리고, 1981년에 미국의 로스아라모스연구소에서 가속가능한 것을 최초로 실증했다 (JE Stovall, KR Crandall and RW Hamm, IEEE Trans. Nucl. Sci, NS-28 (1981) p1508).

그 개략적인 구성은 이하와 같다, 빔진행축방향(z방향)에 직각인 면에 있는 정방형의 정점의 위치에 4개의 전극(예를 들면, 반시계방향으로 A, B, C, D가 있다.)을 배치한다. 또한, 각각의 4전극봉 상에는 길이방향으로 요철부를 형성하여, 한 쌍의 전극, 예를 들면, 전극A, C의 철(凸)부의 위치에 인접한 나머지 한 쌍의 전극B, D의 요(凹)부가 대응하고, 전극A, C의 요(凹)부의 위치에 나머지 인접전극B, D의 철(凸)부가 대응하도록 한 배치이다. 각 한 쌍의 전극A, C사이와 전극B, D사이에 무선 고주파전압을 여기시켜서, 빔 진행방향에는 가속전장을, 빔 진행방향에 대한 수직방향에는 집속(集束)전장을 형성하는 것이 가능하다. 전극 요철(凹凸)간의 주기를 셀이라고 한다.

그리고, 이온이 1셀의 거리(w)를 주행하는 시간(w/v)과, 무선 고주파의 반주기(T/2)는 같도록 설정한다. 즉, 무선 고주파의 파장을 λ라고 하면, 거리w = vT/2 = (v/c)(cT/2) = βλ/2 이다. 이와 같이 인접한 철(凸)부의 간격을 결정하면, 이온은 z방향의 가속전계가 교대될 때마다 1셀을 통과한다. 그러므로, 이온은 1셀마다 전계를 받아 가속된다. 이와 같이 이온의 진행과 무선 고주파의 교대가 동시에 이루지므로, 상기 RFQ가속기는 선형가속기로서 기능한다. 이온이 가속됨에 따라, v는 커지고, β = v/c 도 커지므로, 셀의 길이도 전극의 긴 방향을 따라 조금씩 늘어나도록 설계된다.

이와 같이, RFQ가속기는 직류고전압을 서로 떨어진 전극간에 빔 진행방향으로 인가함으로써 이온을 선형가속하는 종래의 선형가속기와는 완전히 다른 이론에 의해서 이온을 가속한다. 따라서, RFQ가속기는 직선상 궤적을 따라 이온을 가속하므로 선형(linear)가속기의 카테고리에 포함되지만, 전극의 구성도 다르고, 가속전압도 직류가 아닌 무선 고주파를 사용하므로, 종래의 선형가속기와는 크게 다르다.

RFQ가속기는 다양한 이점을 가지고 있다. 우선, 대형의 직류고전압의 전원을 필요로 하지 않고, 대신 소형의 무선 고주파전원을 사용하므로, 전원부분의 용적이 작다.

다음은, 가속관의 치수를 작게 할 수 있다. 4개 전극의 철(凸)부의 길이가 극히 작고 전극간의 빔통과공간의 반경(R ₁ )은 4㎜정도였다. 이와 같이, 전극간격이 좁고 빔축직교방향의 거리가 작아서, 전극을 둘러싼 원통상의 진공용기도 충분히 작다. 예를 들면, 직경이 600㎜정도로 충분히 제작할 수 있다.

또한, 빔축의 방향의 길이도 단축할 수 있다. 예를 들면, 용기의 길이가 1∼3m정도이다.

이상과 같이, RFQ가속기는 전원면에서나 진공용기의 크기면에서도 극히 매력적인 장치이고, 종래의 직류형 선형가속기와는 달리 상기 반도체 등의 생산현장에서 실용적인 가속기를 제공할 수 있는 가능성이 있다.

이와 같은 RFQ가속기에 있어서, 본 발명은 A, B, C, D의 4개 RFQ전극의 형상 및 상호비례관계에 관한 것이다. 각 전극 A, B, C, D는 빔 진행방향으로 신장하여 형성되고, 상술한 바와 같이, 이웃한 전극(A와 B, B와 C, C와 D, D와 A)간의 위상이 180。 다른 요철(凹凸)부를 갖는 봉형체로 있다. 이 전극 A, B, C, D의 어떤 개소는 포스트라 불리는 부재에 의해 지지된다.

상기 포스트는 탱크(진공용기)의 내벽에 상기 전극 A, B, C, D의 기계적인 지지를 제공하며, 탱크 내에 공진회로를 형성한다. 또한, 이들 전극 A, B, C, D 및 포스트는 그들 위를 흐르는 대량의 무선 고주파전류로 인하여 강하게 발열한다. 그러므로, 전극 A, B, C, D는 전기전도 및 열전도가 우수한 재료로 제작되고, 그 내부에는 냉각수를 통하게 한다. 냉각수를 충분히 흐르게 하기 위해서 냉각수로는 단면적이 충분히 커야만 한다.

RFQ발전 초기단계에서, 발열문제로 인해 이온빔이 낮은 듀티 모드(low duty model)로 가속된다. 무선 고주파 1주기에 대한 이온빔이 가속되는 시간비율을 듀티라 한다. 그러나, 대전류의 이온빔이 요구되므로, 듀티를 더 높게 할 필요가 있다. 그러므로, 냉각효율을 높임으로써 연속파(CW : continuous wave)운전을 하는 것이 요구된다.

최초에 만들어진 RFQ전극은 도1에서 나타내는 바와 같이 파도모양의 환봉이다. 4개의 같은 봉전극이 동일하므로 하나의 구조만을 도시한다. 단면이 원형인 봉형태의 금속 (동, 또는 동 도금된 알루미늄이나 철)의 전체 외주를 가속 이온의 종류, 입사이온에너지, 출사이온에너지 등에 따라서 결정되는 파도모양형상으로 가공하고, 그 내부에는 냉각수를 흐르게 하는 구멍을 가공한다. 또한, 구멍이 이미 제공된 금속재료를 파도모양으로 가공하는 것도 좋다. 예를 들면, 축대칭의 환봉을 선반을 따라 회전시킴으로써 파도모양으로 간단하게 가공가능하다. 이 방법은 제작이 용이하다는 이점이 있다. 또한, 상기 봉이 축대칭이므로 포스트에 설치할 때에 방향을 고려할 필요가 없고 간편하다.

상술한 바와 같이 초기의 RFQ전극은 실험실에서의 연구용으로 제작되었고, 펄스작동모드에서 소전류의 이온빔을 낮은 듀티로 가속하기 위한 것이었다. 따라서, 냉각수도 소량 요구되었다. 그러나, 이와 같은 도1의 전극은 냉각수로가 좁아서 높은 듀티의 경우에는 사용불가능하다. 냉각수구멍을 크게 할 수 없기 때문이다. 또한, 환봉을 파도모양으로 제작하므로, 허리부분인 요(凹)부분이 약해서 구부러지기 쉽다. 더욱이, 냉각수의 흐름에 의하여 기계적인 진동이 초래된다. 특히, 대각선방향으로 진동이 발생될 때, 전계가 현저하게 어지러워지며, 가속된 빔의 품질에 문제가 발생하는 경우가 있다. 또한, 빔이 전계에 충돌하여 손실이 생기는 문제가 있다.

이와 같은 문제를 해결하기 위해서, 다음으로, 도2에 도시한 바와 같은 RFQ전극이 제작되었다. 상기 전극은 상기 동, 또는 동 도금된 철이나 알루미늄의 각봉내부에 냉각수로의 구멍을 천공하고, 빔통과공간에 임하는 한 표면에만 요철(凹凸) 파도모양을 형성하는 구조로 된다. 이 전극은 본 원 발명자가 예전에 발명한 RFQ전극이다. 빔중심축부근에만 전계의 파동이 필요하므로 전극의 밑측면에만 요철부를 형성한다. 냉각수로의 직경을 더 크게 하는 것이 가능하다. 또한, 각봉을 채택하므로, 높이방향의 강성이 강하고, 휘어지기 어렵고, 견고하다는 이점이 있다. 이 전극을 사용하면 상당히 높은 듀티로 이온빔의 가속을 행할 수 있다.

전극사이의 갭이 좁을 때에는, 이온빔을 상기 전극사이로 인도하는 것이 곤란하다. 전극간에 빔의 인도가 용이한 정도를 억셉턴스(acceptance)라 한다. 전극사이의 갭이 예를 들어 8㎜이면, 억셉턴스가 비교적 크다고 말한다.

다음은, 전극높이(H)를 문제로 하자.

전극높이(H)는 하나의 전극의 철(凸)부분에서 동일전극의 반대측 밑면까지의 거리로 정의된다. He ⁺ 이온을 가속하기 위해서, 100㎒의 무선 고주파를 인가하는 RFQ전극의 경우, 종래에는 전극높이(H)가 21㎜이었다. 이것 또한 문제가 없다고 단언할 수는 없다. 무선 고주파의 주파수가 높아지면, 셀의 길이(βλ/2)가 감소되고, 최적의 전극높이(H)도 이에 비례해서 짧게 된다. 그러므로, 높이(H)의 최적값은 주파수와 관련하여 정의되어야 한다.

도2의 RFQ전극은 빔 진행방향으로 같은 모양의 파도모양형상을 가지며, 지지부재(포스트)에 납땜으로 고정된다. 도3에서 이와 같은 RFQ선형가속기의 개략적인 구성을 보여준다. 정방향의 4개 정점에 해당하는 위치에 전극 A, B, C, D가 배치된다. 수직의 판으로 2종류의 포스트가 제공되는 데, 하나는 A, C전극에 연결되고, 다른 하나는 B, D전극에 연결된다. 상기 포스트들을 수직으로 지지하는, 상기 빔 진행방향으로 신장된 하나의 긴 판을 베이스라고 한다. 상기 전극들, 포스트들 및 베이스로써 무선 고주파공진구조를 형성한다.

도시되지는 않았지만, 냉각수의 파이프도 상기 베이스나 포스트에 근접하게 설치된다. 또한, 도시되지 않았으나, 전극의 대향면에 상기 파도모양이 성형되었다. 실제로는, 상기 포스트들 및 베이스는 원통형의 진공용기로 둘러싸여 있다. 진공용기는 가능하면 작게 하는 것이 비용이나 공간의 면에서 바람직하다. 그러나, 너무 작으면 전력효율이 나빠진다.

그러므로, 본 발명의 목적은 RFQ전극의 일부분 또는 전체 형상을 최적화하고, 전력효율을 양호하게 하고, 이온빔이 들어가기 용이하게 억셉턴스가 높고, 기계적 강도가 우수하고, 냉각효율이 양호한 RFQ가속기 및 이러한 RFQ가속기를 구비한 이온주입장치를 제공하는 데 있다.

본 발명은 알에프큐(이하, "RFQ"라 칭함) 가속기와 이를 구비한 이온조사 및 이온주입을 행하는 이온주입장치에 관한, 특히 상기 RFQ가속기의 전극구조의 개량에 관한 것이다.

도1은 빔 진행방향으로 구멍을 가진 원형단면의 파이프상에 파도모양을 회전대칭한 것 같이 성형한 전형적인 종래기술에 의한 최초의 RFQ전극의 개략적인 사시도이다.

도2는 각형단면의 금속봉 내부에 길이 방향의 냉각수로를 뚫고, 빔통과공간에 임한 한면에는 요철(凹凸)부가 교대로 파도모양으로 성형된 구조로 된 다른 종래기술의 RFQ전극의 개략적인 사시도이다.

도3은 RFQ선형가속기의 개략적인 사시도이다.

도4는 RFQ가속기의 3차원동전자기장분석코드(three-dimensional dynamic electromagnetic field analysis code)에 의한 시뮬레이션결과를 도시한 투영도이다.

도5는 RFQ전극을 4개의 포스트로써 지지한 구조의 RFQ가속기에 대한 3차원동전자기장분석코드에 의한 시뮬레이션결과를 도시한 도면이다.

도6은 본 발명에 의한 RFQ전극을 그 축의 수직방향으로 취한 단면도이다.

도7은 본 발명에 의한 RFQ전극 일부의 측면도이다.

도8은 101㎒의 무선 고주파를 인가하여 작동하는 RFQ가속기의 션트임피던스 및 Q값에 대한 RFQ전극의 높이(H)의 시뮬레이션결과를 도시한 것이다.

도9는 본 발명에 의한 RFQ가속기를 사용하여 구성되는 이온주입장치의 일구성예를 개략적으로 도시한 평면도이다.

도10은 상기 도9에서 도시한 이온주입장치에 있어서, RFQ가속기의 후단에 배치된 가감속계의 가속관에 대한 일구성예를 보여주는 종단면도이다.

청구항 1항의 발명에 의한 RFQ가속기는, 원통상의 진공용기 내에서 90。의 간격을 두고 빔 진행방향으로 신장된 4개의 전극이 배치되고, 대각선상의 상기 4개전극의 각 쌍은 포스트에 연결되고, 상기 4개전극의 이웃한 전극들은 전극면의 요철(凹凸)부에서 서로 대향되고 있어서, 인접전극간에 여기되는 무선 고주파전계에 의해 4개의 전극사이에 도입되는 이온빔을 가속하는 RFQ가속기에 있어서, 상기 4개의 전극으로 둘러싸인 빔통과공간의 반지름(R ₁ )은 5㎜∼9㎜, 철(凸)부의 축직각방향의 곡률(R ₂ )은 5㎜∼9㎜, 철(凸)부에서 밑면까지의 높이(H)는 H/R ₁ 이 4∼6으로 되는 것을 특징으로 한다.

일반적으로, RFQ가속기에서 전극높이(H)를 작게 하면 션트(shunt) 임피던스는 올라가서 전력효율은 양호하게 되나, 냉각수로의 단면을 크게 취하는 것이 불가능하므로 냉각능력 및 기계강도가 부족하여, 전극이 진동하는 문제가 발생하기 쉬운 단점이 있다. 그러나, 상기의 구성에 의하면, B, P, As 등의 무거운 이온에 적절한 25㎒∼50㎒정도의 낮은 공진주파수에 대해서는, 전력효율도 높고, 냉각효율도 우수하며, 기계강도도 충분하여 빔억셉턴스가 큰, 최적의 RFQ전극형상을 얻는 것이 가능하다.

청구항 2항의 발명에 의한 RFQ가속기는, 상기 4개전극 각각이 밑면에 부분적인 확대부가 있으며, 그 확대부에 볼트구멍이 천공되고, 그 확대부의 측면이 포스트에 접촉되어 상기 4개 전극을 포스트에 볼트로써 고정되는 것을 특징으로 한다.

상기 구성에 의하면, 포스트의 나사구멍에 볼트로써 전극을 직접 접촉시켜 고정함으로써 전기전도 및 열전도를 양호하게 할 수 있다.

청구항 3항의 발명에 의한 RFQ가속기는 상기 4개의 전극 각각이 축에 수직으로 대략 오각형단면이 형성되고, 상기 빔통과공간에 임한 상기 전극면은 상기 철(凸)부분 또는 요(凹)부분을 형성하는 원호와, 그 원호로부터 이어지는 경사면으로 성형된 것을 특징으로 한다.

상기 구성에 의하면, 빔통과공간에 임한 전극면 전체를 원호로 성형하지 않고, 원호와 직선의 조합으로 성형하므로 전극의 가공이 용이하다.

청구항 4항의 발명에 의한 RFQ가속기는 상기 4개 전극 각각에는 상기 전극내부에 건 드릴(gun drill) 등에 의해 빔 진행방향 가공한 구멍인 냉각수로가 마련됨을 특징으로 한다.

상기 구성에 의하면, 날개(vane)모양의 전극에 동파이프를 납땜하여 냉각수로를 성형하는 경우에 비해서 가공시 발생되는 열에 의한 전극의 왜곡을 줄이고, 또한 냉각효율을 높이는 것이 가능하다.

청구항 5항의 발명에 의한 RFQ가속기는, 상기 4개의 전극을 지지하기 위한 포스트가 상기 4개 전극의 일측에서 인접한 포스트 사이의 간격이 상호 같게 배열됨을 특징으로 한다.

상기 구성에 의하면, RFQ공진회로의 일부를 구성하는 포스트가 가속관의 일측으로 등간격 배열되므로 조립이 용이하며 RFQ의 공진주파수를 최소화하는 것이 가능하다.

청구항 6항의 발명에 의한 이온주입장치는, 이온을 생성하는 이온원(源)과, 상기 이온원에서 생성되는 이온을 소정의 초기에너지로 가속하여 인출하는 인출전극과, 상기 인출전극에서 인출된 이온으로부터 소망하는 이온만을 유출하는 분석전자석과, 상기 분석전자석으로부터의 이온을 가속하기 적당한 빔직경으로 집속시키는 집속렌즈계와, 상기 집속렌즈계로부터의 이온을 소망하는 에너지로 가속하여 피가공물에 조사 또는 주입하기 위한 상기 1항 내지 5항중 어느 한 항에 의한 RFQ가속기와, 필요시 이온을 더욱 가속 또는 감속하기 위하여 상기 RFQ가속기의 후단측에 가감속계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 구성에 의하면, 상기 MeV급의 고에너지주입장치 및 대전류의 고에너지이온조사장치를 반도체 등의 산업에 이용가능하도록, 소형으로 저렴하게 실현하는 것이 가능하다.

본 발명은 상술한 목적을 달성하기 위하여, 3차원동전자기장분석코드를 사용함으로써 냉각능력, 기계강도, 조립의 용이성 등을 고려하여 RFQ전극의 전력효율을 개선가능한 상기 파라미터를 발견 및 최적화한다.

도4는 본 발명의 RFQ전극을 사용한 RFQ가속기의 투영도를 도시한다. 큰 원은 진공용기의 크기를 나타낸다. 진공용기의 내부에는 RFQ전극, 포스트, 베이스 등이 수급되어 있다. 중앙의 4개 꽃잎과 같은 그림자는 RFQ전극의 투영이다. 경사면을 갖는 4각형판은 2종류의 포스트 중 한가지의 투영이다. 이는 대각선상에 있는 한 쌍의 전극을 포스트에 연결하는 방법을 명백히 보여준다.

도4에서, 공간은 종횡으로 등간격 격자배열로 분할되며, 각 자장의 강도를 도시한다. 화살표는 자장의 방향을 도시하고, 동그라미의 크기는 자장의 강도를 도시한다. "×"의 기호는 자장이 지면에서 들어가는 방향을 표시한다. 포스트에는 대전류가 흐르므로, 포스트 주변에 강한 자장이 형성되고 있다. 포스트 단면의 자장은 상부에서는 약하고, 하부에서는 강하게 나타난다. 자장은 상기 하부에서 진공용기 근처에서 또한 강하다. 이 자장과 직교하는 방향으로 전계가 발생하고, 그 전계가 진공용기에서 무선 고주파전류를 발생시킨다. 그러므로, 그 진공용기를 많이 작게 할 수는 없다.

도5는 상기 3차원동전자기장분석코드에 의한 계산결과를 다른 형태로 도시한 것이다. RFQ전극과 이들의 대각선상의 전극쌍을 지지하는 포스트 등이 도시되어 있다. 베이스나 진공용기는 생략되었다. 자장의 크기와 방향은 다각추(콘:corn)로 도시한다. 콘은 101㎒주파수의 RFQ모드에서 가속관을 여진하는 경우 자계의 크기와 방향을 도시한 것이다. RFQ모드에서, 각 포스트 주위에는 자장이 발생하므로, 인접포스트 사이에서 자장의 방향은 반대이다. 자장의 강도는 포스트의 배열에 따라 다르다. 서로 인접한 포스트는 하나의 유니트를 구성한다.

상기 도5에서 도시하는 바와 같이, 본 발명에 이용된 RFQ가속기에서, 하나의 가속관은 3개의 유니트로 구성되었고, 포스트는 RFQ전극의 일측에 근접포스트 사이의 간격(L)이 상호 같게 배열되어 있다. 이와 같은 구성의 경우, 무선 고주파의 주파수가 다르더라도, 자장의 패턴은 같다. 그러나, 셀의 길이 및 최적의 전극길이도 이온의 종류나 주파수 등에 따라 다르다. 또한, RFQ진공회로의 일부를 구성하는 포스트는 RFQ전극 일측에 같은 간격으로 배열되므로, 조립이 용이한 구조를 유지하면서도 RFQ의 공진주파수를 최소화한다.

도6 및 도7은, 본 발명의 RFQ전극의 형상 파라미터를 설명한다. 도6은 RFQ전극(1)의 축직각단면도이다. 도7은 RFQ전극(1) 일부분의 측면도이다. RFQ전극(1)은 빔 진행방향(z방향)으로 신장되는 동, 알루미늄 등 전기 및 열 전도성이 우수한 금속의 봉으로, 축직각방향의 단면은 오각형에 가깝고, 상기 빔 진행방향으로 반지름(R ₃ )의 냉각수로(2)가 천공되어 있다.

상기 냉각수로(2)는 날개(vane)모양의 RFQ전극(1)에 동파이프를 납땜함으로써 성형가능하지만, 건 드릴 등에 의해 RFQ전극(1)에 직접 천공하여 가공하는 경우에는, 가공시 발생되는 열에 의한 전극의 왜곡을 줄이고, 또한 냉각효율도 높이는 것이 가능하다.

빔통과공간(9) 근처에는 상기 빔 진행방향으로 철(凸)부(3)와 요(凹)부(8)가 교대로 파도모양으로 성형되어 있다. 철(凸)부(3)와 요(凹)부(8)는 60°의 경사면(4)으로 이어지고, 측면(5)으로 이어진다. 그러므로, 빔통과공간(9)에 임한 표면을 원호로 성형하지 않고, 원호와 직선을 조합시켜 성형하면, 전극의 가공이 용이하다. 서로 평행한 측면(5)에 대해 밑면(6)은 직교하고 있다. 도6은 빔이 통과하는 축(10)(z축)에 직각인 단면을 도시한다. 도6에는 도시생략되었으나, 실제로는 철(凸)부(3)의 전방에는 나머지 3개 전극의 철(凸)부가 대향하고 있다.

일점쇄선으로 묘사한 원은 빔통과공간(9)이며, z축방향으로 신장하는 빔통과공간(9)과 직교축(x, y)과의 교점에 잔여전극의 철(凸)부가 위치한다. 대향되는 한 쌍의 전극이 철(凸)부에 위치한 경우에는 나머지 한 쌍의 전극은 요(凹)부에 있으므로, 4개의 전극에 의해서 둘러싸인 공간은 원이 아니나, 4개의 철(凸)부의 내접원으로 빔통과공간(9)을 정의한다. 내접원반지름(R ₁ )은 빔통과공간(9)의 반지름으로 정의한다.

다른 구조는 동일하나 더 좁은 빔통과공간(9)으로 인하여, 전계가 높아져서 전력효율이 좋다. 그러나, 이온원으로부터 질량분석마그네트를 지나 빔통과공간(9)에 빔을 도입하는 것은 어렵다. 상기와 같이, 빔을 도입하기 용이한 정도를 억셉턴스라 한다. 상기 내접원반지름(R ₁ )이 작으면 억셉턴스는 작고, 상기 내접원반지름(R ₁ )이 크면 억셉턴스도 크다. R ₂ 는 전극의 철(凸)부의 축직각방향 곡률반지름이고, R ₃ 은 냉각수로(2)의 반지름이다.

또한, RFQ전극(1)의 폭, 즉, 평행측면들(5) 사이의 간격을 W라 한다. 철(凸)부의 정점에서 밑면까지의 거리를 전극높이(H)라 한다. 이 전극높이(H)는 후술하는 션트임피던스에 관계한다. 본 발명의 RFQ전극은 장치부(7)로서 밑면에 여러 돌기를 성형하였으므로 빔 진행방향으로 균일한 모양이 아니다. 'H'는 상기 철(凸)부의 정점에서 이 장치부(7)까지의 거리이다. 장치부(7)에는 볼트구멍(11)을 천공하여 만든다. 포스트의 나사구멍에 볼트로써 RFQ전극(1)을 직접 고정한다. RFQ전극(1)의 장치부(7)의 측면은 포스트에서 직접 접촉되므로, 전기전도 및 열전도가 좋다.

이와 같은 파라미터를 이용하여 여러 조건을 감안한 최적의 RFQ구조를 결정한다. 우선, 투입전력의 문제에 대해, 가능하면 작은 전력으로 이온빔을 가속하는 것이 바람직하다. 전력소비는 전극높이(H)에 관계한다는 사실을 이용하여 전력손실을 감소시키는 것이 본 발명의 요지이다. 전력소비와 전극높이(H)의 상관관계 및 필요한 전압을 얻기 위해 얼마나 많은 전력이 필요한가는 션트임피던스에 의해 결정된다.

도8은 (i) 101㎒의 무선 고주파에 의해 RFQ전극간에 가속전계를 발생시킬 때의 전극높이(H)에 대한 상기 션트임피던스 (투입전력에 대한 전극간 전압의 발생효율)와, (ii) Q값 (가속관의 전력손실에 반비례)의 진행을 도시한다. 시뮬레이션은 4개점에서 행하였고, 기타 잔여 점의 데이타는 내부삽입되였다.

전극높이(H) 27㎜에서 샹트임프던스는 120㏀, Q값은 6000이다. 전극높이(H) 21㎜에서 샹트임프던스는 144㏀, Q값은 6800이다. 전극높이(H) 17㎜에서 샹트임프던스는 162㏀, Q값은 7050이다. 전극높이(H) 14㎜에서 샹트임프던스는 176㏀, Q값은 7200이다. 도8에서와 같이 일반적으로 전극높이(H)가 감소하면 션트임피던스 및 Q값이 증가된다. 즉, 가속관의 전력효율은 전극높이(H)에 반비례하여 상승하고, 그리고 이 효과는 전극간의 용량을 감소시킨 결과로서, Q값은 개선된다.

RFQ전극에 인가되는 무선 고주파가 상술한 바와 같이 101㎒인 경우, 종래 전극높이(H)는 21㎜였다. 본 원의 발명자는 전극높이가 14㎜로 감소될 때 전력손실을 감소됨을 생각했다. 이 경우, H = 21㎜에서의 션트임프던스는 144㏀, H = 14㎜에서의 션트임피던스는 176㏀임을 비교할 때 션트임피던스는 약 22%높아진다. 투입전력은 그 션트임피던스에 따라 감소할 수 있다.

션트임피던스와 투입전력과의 사이에는 다음의 관계가 있다.

션트임피던스 = (전극간 전압) ² /(2·투입전력)

그러므로, 전극간 인가전압이 동일한 조건에서 션트임피던스는 투입전력에 반비례한다. 상술한 바와 같이, 션트임피던스가 1.22배 증가되면, 같은 전압을 얻기 위해 필요한 전력은 0.82배면 된다. 그러므로, 전극높이(H)를 14㎜로 감소하면, 종래의 예(H = 21㎜)와 비교하여 82%의 전력으로 전극간의 전압을 동일하게 발생시키는 것이 가능하다.

또한, 적절한 전극높이(H)는 주파수에 반비례하므로 상기 전극높이(H)는 인가 무선 고주파전압이 101㎒의 경우에 적절하며, 무선 고주파 주파수가 다른 경우에도 상기의 등식은 적절한 전극높이(H)를 구하는 데 지침을 제공한다. He ⁺ 과 같이 가벼운 이온 또한 상기의 높은 주파수에 의해 가속가능하고, B ⁺ 와 같이 무거운 이온을 가속하는 경우에는 더 낮은 주파수가 사용된다. 예를 들면, B ⁺ 이온을 가속하는 경우는 상기 무선 고주파수 101㎒에서의 1/3 정도인 주파수의 25㎒∼50㎒의 무선 고주파가 사용된다.

전력소비의 면에서, 주파수 101㎒에서는 14㎜의 전극높이가 최적이라고 하면, 예를 들면, 33㎒에서는 주파수 101㎒에서의 최적높이(H) 14㎜의 3배인 H = 42㎜가 최적의 전극높이이다. 전극높이 42㎜에서는 기계적 강도도 충분하고, 포스트에 전극을 설치하는 데에도 문제가 없다.

본 발명의 RFQ가속기를 Si반도체 제조에 있어서, 불순물(dopont)로서 B, P, As 등의 무거운 이온을 주입하는 고에너지주입장치에 적용하는 것을 전제로 하면, 비교적 낮은 무선 고주파가 선택된다. 그러므로, 본 발명의 RFQ가속기에 의한 가속은 연구실에서 행하는 He ⁺ 의 가속 등과는 상당히 다르다.

다음으로 문제되는 일은 빔이 통과하는 공간, 즉 대향전극의 철(凸)부간의 거리이다. 빔통과공간은 내접원의 반지름(R ₁ )으로 정의되며, 직경은 2R ₁ 이다. 빔 진행방향(z방향)의 전계가 강하므로, 종래에는 2R ₁ = 8㎜로 했다. 이것은 전력효율이 좋고, 억셉턴스가 작다. 즉, 이온원에서 질량분석마그네트를 통과하는 이온빔의 에밋턴스(emittance)가 RFQ전극의 억셉턴스보다 크다. 그러므로, 본 발명에서는 2R ₁ = 16㎜로 직경을 배로 증가시킨다.

또한, 전극의 철(凸)부의 x방향의 곡률 (길이 방향의 직각단면에서의 곡률)도 문제가 있다. 상기 곡률은 상기 곡률반지름(R ₂ )으로 정의된다. 그 곡률반지름(R ₂ )이 크면 억셉턴스가 좋으나 전력효율이 나쁘고, 곡률반지름(R ₂ )이 작으면 억셉턴스는 나쁘나 전력효율이 좋다. 억셉턴스와 전력효율의 두 가지 면에서 최적의 R ₁ , R ₂ 의 값은 표1에서 나타낸 바와 같이, 모두 5∼9㎜이다. 이것도 B, P, As 와 같은 무거운 이온을 가속하기 위한 것이다.

〔 표 1〕

빔통과공간의 반지름(R ₁ ), 전극 철(凸)부의 곡률반지름(R ₂ )의 범위 및 억셉턴스와 전력효율의 평가

상술한 바와 같이 주파수 101㎒에서 전극높이(H)는 14㎜가 바람직하다. 전극높이(H)는 주파수의 함수가 되어 나누기 어려우므로, 최적전극높이(H)의 범위는 빔통과공간의 반지름(R ₁ )의 배수로 정의한다. 표2에 나타낸 바와 같이, H/R ₁ 비율은 4∼6이 좋고, 최적치는 5이다. 이보다 더 작으면, 기계적 강도가 저하되고, 냉각능률도 나빠진다. 이보다 더 크면, 전력효율이 나빠진다. 종합적으로 평가하면 상기 H/R ₁ = 4∼6 이 좋다.

〔표 2〕

전극높이(H)의 빔통과공간의 반지름(R ₁ )에 대한 비율(H/R ₁ )의 범위와 냉각능률, 전력효율 및 기계강도의 평가

이상과 같이, R ₁ , R ₂ 가 5㎜∼9㎜이고, H/R ₁ 이 4∼6일 때의 값이 종합평가에서 최고치이다.

이하는 가장 바람직한 실시형태에서의 설계치를 나타낸다. 그 설계치를 구하기 위한 시뮬레이션 모델에서 무선 고주파주파수를 100㎒로 한다. 반도체의 불순물로 통상 사용되는 B나 P와 같은 이온을 가속하기 위해서는 상술한 바처럼 25∼50㎒정도의 주파수로 가속기를 운전할 필요가 있다. 전극 파라미터는 상기 도6 및 도7에 도시된 바와 같다.

다음은 상기 주파수범위로 가속기를 구동하는 경우의 최적의 RFQ전극치수이다.

R ₁ = 8㎜

R ₂ = 8㎜

R ₃ = 8㎜

W = 24㎜

H = 42㎜

전극높이(H)를 작게 하면, 션트임피던스는 올라가고, 냉각수로의 단면을 크게 갖는 것이 불가능하여 냉각능력이 부족해진다. 또한, 기계강도도 부족하고, 전극이 진동하기 쉽다. 실제로는 상술한 바와 같이 전극높이(H)를 빔통과공간 반지름(R ₁ )의 거의 5배정도로 하는 것이 바람직하다. 이렇게 하면, 냉각능력의 손실없이, 션트임피던스를 크게 취하는 것이 가능하다.

또한, 상술한 바와 같이, RFQ전극은 균일한 모양이 아니며, 포스트에 장치되는 밑부분에 돌기가 형성된다. 상기 전극은 장치부(7)에서의 국소적인 높이가 H'이며, H'>H이다. 상기 신장하는 장치부(7)에는 상기 볼트구멍(11)이 천공되며, 볼트에 의해 장치부(7)는 포스트에 고정된다. 그러므로, 전극 일부의 측면은 직접 포스트에 접촉되고, 전기적이고 기계적으로 포스트와의 접촉이 긴밀하게 된다. 또한, 이러한 구조는 방열의 면에서도 유리하다.

도9는 상술한 바와 같은 파라미터를 선택하여 구성되는 본 발명에 의한 RFQ가속기(21)로 구성된 이온주입장치의 일구성예를 개략적으로 도시한 평면도이다. 이온원(22)에 있어서, 가스 또는 고체시료에서 파라즈마가 발생되고, 인출전극(23)에 의해서 상기 이온원(22)으로부터 이온이 인출된다. 상기 인출전극(23)에 의해서 소정의 초기에너지로 가속된 이온으로부터 상기 B, P, As 와 같은 소망하는 이온만을 분석전자석(24)에 의해 유출하고, 다시 집속렌즈계(25)에 의해 집속된 후, 본 발명에 의한 RFQ가속기(21)에 입사된다. 상기 집속렌즈계(25)는, 예를 들면, 전자형, 정전형 또는 영구자석형의 4중극을 하나 또는 복수개 (도9의 예는 3개) 사용하여 구성한 것으로, 상기 분석전자석(24)으로부터의 이온을 RFQ가속기에 의하여 효율적으로 가속하기 위하여 빔지름을 상기 2R ₁ 이하로 집중한다.

RFQ가속기(21)에 입사된 이온빔은 그 RFQ가속기(21)의 전반에는 상기 빔 진행방향으로 집중되고, 후반에는 소망하는 에너지로 가속된다. 이 RFQ가속기(21)에 의하여 충분한 가속에너지를 제공할 수 없는 경우에는, 그 후단에서 가감속계(26)가 개재된다. 가감속계(26)는 상기 RFQ전극과, 1단 이상의 가속갭(gap)을 갖는 무선 고주파 가속관과 4중극의 빔수속렌즈계의 조합, 또는 갭식 무선 고주파 가속관과 집속렌즈계만의 조합, 또는 기타 조합으로 구성된다. 상기 도9의 예에서 가감속계(26)는 무선 고주파 가속관(26a)과 4중극 빔수속렌즈(26b)를 각각 2단 갖추고 구성되어 있다.

주입 또는 조사용으로 적절한 소망하는 에너지로 가속되는 이온은, 에너지분석기(27)에 의해서 이온에너지가 분별된 후, 조사실(28)로 인도되어 가공물(29)에 조사 또는 주입된다. 상기 에너지분석기(27)는 상기 가감속계(26)와 같이 사양에 따라 생략되는 경우도 있다. 상기 조사실(28)내에서 반도체웨이퍼 등과 같은 가공물(29)은 디스크(30)상에 배치되고, 상기 디스크(30)는 빔진행축에 수직인 면에 화살표(31) 방향으로 이동되고, 화살표(32) 방향으로 회전하여, 균일한 이온조사 또는 주입이 가능함과 동시에 가공물(29)의 일괄처리나 연속처리가 가능해진다.

도10은 상기 도9에 도시한 이온주입장치에 있어서, RFQ가속기(21)의 후단에 배치된 가감속계(26)에 있는 무선 고주파 가속관(26a)의 일구성예를 도시한 종단면도이다. 이 무선 고주파 가속관(26a)은 2개의 전극(51, 52), 즉, 3개의 가속갭(53, 54, 55)을 갖는다. 탱크(56)에 형성된 구멍(57)에서 입사된 이온(58)은, (1) 탱크(56)에 접속된 접지전위의 접지전극(59)과 무선 고주파전압이 인가되는 상기 전극(51)과의 사이의 가속갭(53)과, (2) 전극(51)과 전극(52) 사이의 가속갭(54)과, (3) 전극(52)과 접지전극(60) 사이의 가속갭(55)을 통하여 각각 가속되어 구멍(61)을 통하여 가속된다. 전극(51, 52)은 전원에 의해 무선 고주파전력이 발생되는 공진용의 인덕터(62, 63)가 각각 접속되어 있다.

상기 인덕터(62, 63)는 상기 이온(58)이 상기 B나 P의 경우, 상기 운전주파수 25∼50㎒ 중 임의의 주파수에 대해서, 예를 들면, λ/4 공진기로 구성된다. 한편, 탱크(56)의 내경에 대하여 작은 직경의 인덕터(62, 63)로 높은 전력효율이 얻어지고, 또한 가속관(26a)의 소형화를 도모하기 위해서 그 인덕터(62, 63)는 코일형상으로 나선형으로 제공된다. 또한, 주입된 무선 고주파전력의 대부분을 소비하는 그 인덕터(62, 63)는 동축의 원통형 구조로 되어있고, 그 통 내부에는 외부로부터의 냉각수가 순환한다. 그러므로, 상기 인덕터(62, 63)는 기계적으로 불안정하므로, 진동에 의한 공진주파수의 변화를 억제하기 위해서는 탱크(56)의 밑부분에 고정된 그 인덕터(62, 63)의 일단측에 대하여 전극(51, 52)에 임한 나머지 끝단은 절연판(64, 65)에 의해 각각 탱크(56)의 내벽에 고정한다.

상기 구조로 된 빔주행계를 구성하는 각 해당부분 즉, 이온원(22), 분석 전자석(24), 집속렌즈계(25), RFQ가속기(21), 가감속계(26) 및 에너지 분석기(27)에 전원(72, 74, 75, 71, 76, 77)이 설치되어 있다.

이온원(22)에 대응하는 고압전원(72)은 인출하는 이온의 전하가 +인 경우에는 통상 0∼100kV의 직류고전압을 공급하고, 결과적으로 양전하 이온은 이온원(22)의 파라즈마로부터 접지전위의 인출전극(23)을 향하여 가속된다. 한편, 음전하 이온을 인출하는 경우에는 고전압원(72)의 극성이 반전된다.

상기 분석 전자석(24)에 대응하는 전원(74)는 정전류(靜電流)전원이고, 인출되는 이온에 따라 전계를 발생시키기 위한 정전류를 공급한다. 상기 집속렌즈계(25)에 대응하는 전원(75)은 집속렌즈계(25)의 종류에 따라 달라지는 데, 상기 전자석 4중극의 경우에는 정전류전원, 정전(靜電)형 4중극의 경우에는 고전압전원, 영구자석형 4중극의 경우에는 자장강도를 변화시키기 위하여 기계적·전기적 가변수단을 구동하기 위한 전원이 된다. 상기 전원(75)의 수는 집속렌즈계(25)의 전극단수에 상응한다(도9의 예는 3대).

RFQ가속기(21)에 대응하는 전원(71)은 상술한 바와 같은 25∼50㎒의 주파수에서 운전가능한 무선 고주파전원이고, 그 전원(71)에서는 동축관 또는 동축케이블을 통하여 무선 고주파전력이 공급된다.

가감속계(26)에 대응하는 전원(76)은 상기 도10에 도시한 무선 고주파 가속관(26a) 및 4중극(26b)에 각각 대응하는 무선 고주파 전원(76a)과 전원(76b)으로 구성된다. 전원(76a)은 상기 전원(71)과 같은 모양으로, 상기 주파수범위의 무선 고주파 전력을 상기 동축관 또는 동축케이블을 개재하여 무선 고주파 가속관(26a)의 인덕터(62, 63)에 공급한다. 전원(76b)은 상기 집속렌즈계(25)의 전원(75)과 같은 방식으로, 상기 4중극(26b)이 전자석렌즈인 경우 정전원으로 구성되고, 상기 4중극(26b)이 정전형렌즈인 경우에는 고압전원이 된다.

상기 에너지분석기(27)에 대응하는 전원(77)은 그 에너지분석기(27)가 전자석형인 경우에는 정전압전원이 되고, 정전형인 경우에는 고전압전원이 된다.

상술한 각 전원(72, 74, 75, 71, 76, 77)은 마이크로컴퓨터 등에 의하여 실현되는 제어장치(80) 및 아나로그 또는 디지털 인터페이스 등을 개재하여, 각각 쌍방향통신이 가능하게 접속되고, 자동처리프로그램 또는 운전원의 수동조작에 따라 제어된다. 고에너지이온주입장치는 상술한 바와 같이 구성한다.

본 발명의 이온주입장치의 개념은, 예를 들면, 수십㎝에 이르는 빔지름에서 광범위하게 이온조사를 행하고, 피조사물의 표면특성을 변화시키는 이온조사장치를 포함한다.

이와 같이 본 발명에 의한 RFQ가속기는 전력효율이 높고, 냉각효율이 우수하고, 기계적 강도도 충분하고, 빔억셉턴스가 큰 최적의 구조로 되어, 고에너지이온주입장치의 가속관 등에 사용가능한 RFQ가속기로 적절하게 적용가능하다.

또한, 이상과 같이, 본 발명에 의한 이온조사 또는 이온주입장치는 가속관에 상기 RFQ가속기를 사용하므로, 고에너지의 이온조사장치 또는 이온주입장치로서 적절하게 적용가능하다.