방사성 전자 방출 마이크로채널 판 {Radioactive Electron Emitting Microchannel Plate}

본 발명은 a) 모세관; b) 상기 모세관 내벽에 증착된 자연 방사선을 방출하는 방사성 물질층; 및 c) 상기 방사성 물질층 표면에 증착된 전자 증폭층을 포함하는 전자선 방출 마이크로채널 판에 관한 것이다.

일반적으로 전자선은 전기적으로 발생조건이 까다롭고, 발생되더라도 협소한 영역에서 발생된다. 일례로 금속 및 반도체 표면으로부터 전자선을 발생시키기 위해서는 진공상태에서 5 kV/㎛ 이상의 높은 전기장을 가해 주어야 하고 전자가 방출되기 쉽도록 좁은 영역에 음전하를 밀집시켜야 하므로 전자선 발생장치를 일명 전자총이라고 한다.

전자선 발생의 어려움은 그 산업적 이용에 많은 제약을 주고 있다. 일례로서 집적회로의 제작 시에 전자선은 광에 비해서 파장에 의한 해상도의 제약을 받지 않으므로 높은 해상도의 식각작업이 가능함에도 불구하고, 광과 같이 한번의 조사로 넓은 면적의 웨이퍼 상에 전자선을 충분한 선량으로 균일하게 쪼일 수 없기 때문에 집적회로의 양산은 광에 의한 식각 방법이 널리 사용되고 있다. 또 다른 경우로는, FED(field emission display)와 같은 박판 영상 표시 장치는 전자선으로 형광물질을 자극하여 영상을 구현하는 경우로, 영상표시 장치 전 면적에 걸쳐서 전자선을 발생시키기 위해서 미세 음극침을 평면상에 무수히 나열시키고 있다. 따라서 FED는 장치가 복잡할 뿐만 아니라 제작이 까다롭고, 시간이 지남에 따라 미세 음극침이 마모되어 수명이 짧아지는 단점이 있었다.

따라서 인위적인 전자선 발생의 어려움을 극복하기 위해 자연적으로 고 에너지의 방사선이 발생되는 방사성 물질을 이용한 전자선 발생장치가 제시되었다(미국특허 6,215,243호 및 4,194,123호). 상기 공지된 발명에서는 알파입자, 베타입자, 감마선, X-선, 중성자 등의 고 에너지의 방사선이 전자선 증폭 물질을 자극하여 용이하게 전자선을 발생시키는 구조로 되어있다. 방사성 물질을 이용한 전자선 발생장치는 전자총과 같은 복잡한 구조가 전혀 필요없는 평판형이라는 장점이 있지만, 발생되는 전자선량이 낮다는 단점이 있다. 따라서 각종 기기에 응용되기 위해서는 충분한 전자선의 증폭이 필요하다.

전자선을 증폭시키기 위해서 몇몇 발명에서는 일반적으로 전자선 증폭에 널리 사용되는 전자선 증폭장치인 마이크로채널 판(microchannel plate)을 활용하였다.(미국특허 6,046,714호 및 4,194,123호). 일반적인 마이크로채널 판을 설명하면 다음과 같다. 마이크로채널 판은 내부를 통과하는 전자선이 유리 모세관 내벽에 증착된 전자선 증폭층 벽면에 반사될 때마다 증폭된다. 일반적인 마이크로채널 판 구조는 통상적으로 직경 5 ∼ 10 ㎛ 내외의 유리 모세관이 다발로 모여서 두께 3 ∼ 5 ㎝ 정도의 평판(plate) 구조를 이루고 있다. 상기 마이크로채널 판의 증폭비가 ∼ 10 ³ 정도이며, 둘 내지 세층으로 적층시킬 경우에는 ∼ 10 ⁷ 정도의 증가된 증폭비를 얻는다.

다른 공지된 전자선 증폭 방법으로서, 방사선 발생층과 전자선 증폭층이 결합된 구조로서, 방출된 방사선이 절연막과 전자선 증폭박막이 교대로 적층된 층을 투과되면서 증폭되는 투과전자 증폭막 방법이 있다(미국특허 6,215,243호).

그러나 상기에서 공지된 전자선 증폭 방법을 살펴보면 충분한 선량의 전자선을 얻기에 어려움이 있다. 마이크로채널 판을 사용한 경우에는 방사선 물질층이 외부에 위치하기 때문에 마이크로채널 판 속으로 많은 양의 방사선이 들어가지 못하는 단점이 있었다. 따라서 증폭되어 나오는 전자선량 역시 충분하지 못하였다. 투과전자 증폭막 방법에 있어서는 전자선량을 충분히 증폭시키기 위해서는 증폭층을 두껍게 적층할 필요가 있으나, 방사선에 의해 발생된 이차 전자선이 다시 증폭되기 위해서는 높은 전압조건에서 재차 가속시킬 필요가 있음에도 불구하고 고체 내부에서는 가속이 용이하지 않을 뿐더러 그 에너지가 현저히 감소한다. 따라서,기존 발명에서 제시된 방사선을 효율적으로 전자선으로 증폭시키는 방법은 충분한 선량의 전자선을 얻기 어려운 단점이 있었다.

이에 본 발명자는 상기의 문제점을 해결하고자 노력하던 중, a) 모세관; b) 상기 모세관 내벽에 증착된 자연 방사선을 방출하는 방사성 물질층; 및 c) 상기 방사성 물질층 표면에 증착된 전자 증폭층을 포함하는 전자선 방출 마이크로채널 판을 제작하였고, 상기 방사성 물질층 및 전자선 증폭층이 마이크로채널 판 내부에 동시 결합된 형태로 방출된 전자선이 전자증폭층을 투과 증폭되고 이후에 모세관 동공 내에서 상기 전자 증폭층에 의해 반사 증폭되는 방식으로 충분한 선량의 전자선을 발생시키고 높은 에너지의 전자입자를 용이하게 얻을 수 있음을 알아냄으로써 본 발명을 완성하였다.

본 발명의 목적은 a) 모세관; b) 상기 모세관 내벽에 증착된 자연 방사선을 방출하는 방사성 물질층; 및 c) 상기 방사성 물질층 표면에 증착된 전자 증폭층을 포함하는 전자선 방출 마이크로채널 판을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 상기 마이크로채널 판의 모세관의 말단에 음극 및 형광체가 증착된 투명전극이 마주보는 형식으로 도입된 영상 표시 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 전자선 발생장치의 단위 구성체를 모세관에 한정시키지 않고 얇은 박판 형태로 제공하는 것이다. 즉 a) 박판; b) 상기 박판의 양면에 증착된 자연 방사선을 방출하는 방사성 물질층; 및 c) 상기 방사성 물질층 표면에 증착된 전자 증폭층을 포함하는 박판을 무수히 적층시킨 평판형 전자선 발생장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 상기에서 제시하는 모세관형 또는 박판형 전자선 발생장치, 전자선 집속 렌즈, 마스크, 전자선 감응 물질막, 전자선 유도 자석을 포함하는 전자선 식각장치를 제공하는 것이다.

도 1a 은 일반적인 마이크로채널 판의 전자선 증폭 원리를 도시한 것이고,

도 1b 은 기존 발명의 평판형 방사선 발생층과 마이크로채널 판이 결합된 평판형 전자선 발생장치이며,

도 1c 은 기존 발명의 평판형 방사선 발생층과 전자 증폭층이 결합된 평판형 전자선 발생장치이고,

도 2 는 본 발명의 방사성 물질층이 내장된 모세관 형태의 마이크로채널 판을 도시한 것이고,

도 3 은 본 발명의 방사성 물질층이 내장된 마이크로채널 판을 활용한 영상 표시 장치이고,

도 4 은 본 발명의 방사성 물질층과 전자 증폭층이 박판 상에 표면 처리된 박판 적층형 전자선 발생장치를 도시한 것이며,

도 5 은 본 발명의 평판형 전자선 발생장치를 이용한 전자선 식각 장치이다.

<도면의 주요 부분에 관한 부호의 설명>

9: 마이크로채널 판9': 박판 적층형 마이크로채널 판

10: 방사성 물질층11: 모세관

12: 전자선 증폭층13: 전자선

14: 평판형 방사선 발생층15: 미세 채널판

16: 절연막17: 증폭 박막

18: 음극19: 투명전극

20: 형광체21: 가시광

22: 모세관이 밀집된 평면23: 얇은 유리판

24: 마스크25, 25': 전자석 유도 자석

26, 26': 전자석 집속 렌즈27: 반도체 웨이퍼

28: 전자선 감응 물질막29: 평판형 전자선 발생장치

본 발명은 a) 모세관; b) 상기 모세관 내벽에 증착된 자연 방사선을 방출하는 방사성 물질층; 및 c) 상기 방사성 물질층 표면에 증착된 전자 증폭층을 포함하는 전자선 방출 마이크로채널 판을 제공한다.

이하 도면을 참조로 본 발명을 상세히 설명한다.

도 1a 는 일반적인 마이크로채널 판의 전자선 증폭 원리를 도시한 것으로, 모세관(11) 내벽에 전자선 증폭층(12)이 증착되어 있어서 내부를 통과하는 전자선(13)이 벽면에 반사될 때마다 증폭된다. 보다 구체적으로, 외부에서 오는 에너지 입자 또는 베타선, 알파선, 감마선, X-선 및 중성자 입자를 포함하는 에너지파가 전자선 증폭층(12)에 부딪쳐서 전자선을 반사시키고, 반사되어 나온 전자선은 모세관에 가해진 전압에 의해 가속되어 다시 충분한 에너지를 얻어서 다른 전자선 증폭층(12) 벽면에 부딪쳐서 증폭된다.

도 1b 는 기존 발명의 평판형 방사선 발생층과 마이크로채널 판이 결합된 평판형 전자선 발생장치의 일례를 도시한 것으로, 평판형 방사선 발생층(14)과 마이크로채널 판(9)이 연결되고 상기 마이크로채널 판(9)을 통과하는 전자선(13)이 도 1a 의 방식으로 증폭된다.

또한, 도 1c 는 기존 발명의 평판형 방사선 발생층과 전자선 증폭층이 결합된 평판형 전자선 발생장치의 일례를 도시한 것이다. 보다 상세하기로는 평판형 방사선 발생층(14)에서 방출된 방사선(13)이 절연막(16)과 전자선 증폭박막(17)을 투과하면서 증폭되며, 필요한 전자선량에 따라 증폭박막(17)은 절연막(16) 층을 사이에 두고 여러 개 연결시키게 된다.

도 2 는 본 발명의 방사성 물질층이 내장된 모세관 형태의 마이크로채널 판을 도시한 것이다. 보다 구체적으로는 a) 모세관(11) 내벽에; b) 상기 모세관(11) 내벽에 증착된 자연 방사선을 방출하는 방사성 물질층(10); 및 c) 상기 방사성 물질층(10) 표면에 증착된 전자 증폭층(12)을 포함하는 전자선 방출 마이크로채널 판(9)으로 모세관 동공에는 강한 전압을 걸어주는 것이다.

상기 방사성 물질층(10)에서는 베타선, 알파선, 감마선, X-선 및 중성자 입자 등의 고 에너지의 방사선을 하나 이상 방출하고, 전자선 증폭층(12)을 활성화시킬 수 있는 방사성 물질이면 모두 가능하다. 바람직하게는 전자선인 베타선을 방출하는 H-3, Ni-63, Sr-90, Tc-99, Pm-147 또는 Tl-204를 단독 또는 서로 혼합한 것을 사용하며, 보다 바람직하게는 트리튬(T 또는 H-3)을 사용하는 것이다.

상기 트리튬(H-3)은 수소 핵에 두개의 중성자가 과잉 공급된 수소 동위원소로서, 구성핵의 불안정으로 인하여 음전자인 베타선을 방출하면서 He-3로 안정화된다. 이때, 트리튬의 붕괴 반감기는 12.3년으로 트리튬이 함유된 물질은 저선량이지만 상당히 오랫동안 안정적으로 고 에너지의 전자선을 방출하게 된다.

일반적으로 기체상태인 HT 또는 T ₂ 형태로 존재하는 트리튬은 실제 전자선원으로 활용하기 위해서는 트리튬 기체를 고체 상에 고정화시켜야 한다.

상기 트리튬을 고체 상에 고정화시키는 하나의 방법으로는 수소 저장금속을 증착시킨 후, 트리튬 기체를 흡장(tritide)시켜서 얻어진 금속 박막을 사용한다.

트리튬과 수소는 화학적 성질이 동일함으로 수소와 결합할 수 있는 금속은 트리튬을 흡장할 수 있다. 적절한 트리튬 저장 금속의 선택은 전자선원의 품질에 중요한 요인이며, 바람직하기로는 타이타늄, 지르코늄 및 하프늄을 포함하는 4 족 금속 또는 우라늄 및 토륨을 포함하는 3 족의 악티나이드(actinide)계에서 선택된 하나의 금속 또는 수소저장 합금이며, 상기의 금속은 수소 흡장 능력이 우수하며 비교적 높은 온도에서도 수소가 이탈하지 않으므로 매우 효과적이다. 또한 상온에서도 압력조건에 따라 용이하게 트리튬의 흡장이 가능할 뿐만 아니라 트리튬 저장 안정성 및 저장 밀도를 높힐 수 있다. 이밖에도 선택되는 수소 저장금속으로는 리튬, 마그네슘, 칼슘, 스트론튬 등의 알칼리계의 금속을 사용할 수 있으며, 상기 알칼리계 금속으로 트리튬을 흡장시킬 경우, 트리튬을 흡장하는 기능 외에도 트리튬에서 방출되는 전자선을 증폭시키는 효과도 있다.

이때, 금속층을 화학 증기 증착법(chemical vapor deposition), 스퍼터링(sputtering) 또는 전기도금과 같은 일반적인 방법으로 모세관(11) 내벽에 고정시킨다. 그리고 상기 금속층은 고압의 트리튬 기체로 상온에서 처리하여 방사성 물질층(10)을 용이하게 형성시킬 수 있다. 트리튬은 금속 격자내에 끼여 들어가므로 수십 분자 층으로도 충분히 트리튬을 저장할 수 있다.

상기 트리튬이 흡장된 금속층의 두께는 수십 ㎚에서 수 ㎛ 정도가 적당하며, 트리튬에서 나오는 전자선이 대부분 고체 매질 내부에서 10 ㎛ 이상 통과하기 어렵기 때문에 금속층의 두께는 두터울 필요가 없기 때문이다.

방사성 물질층에 트리튬을 고정시키는 다른 방법으로는 모세관 내벽을 트리튬이 수소 치환된 유기 실란놀(organo silanol) 또는 트리튬이 수소 치환된 유기 클로로실란(organo chlorosilane)으로 화학적으로 표면 처리하여 형성된 유기 실리콘 박막을 사용하는 것이다. 이렇게 형성된 유기 실리콘 박막은 모세관 내벽에 강하게 결합되어 있으며, 열 안정성이 우수하다. 상기 유기 실란놀의 예로는 R ₃ SiOH, R ₂ Si(OH) ₂ 및 RSi(OH) ₃ 를 들 수 있고, 여기서, R이 알킬, 사이클로알킬, 알콕시 또는 사이클로알콕시이고, 상기 유기 클로로실란의 예로는 R ₃ SiCl, R ₂ SiCl ₂ 및 RSiCl ₃ 이며, 여기서, R이 알킬, 사이클로알킬, 알콕시 또는 사이클로알콕시를 들 수 있다.

또한, 트리튬으로 치환된 유기 고분자막을 코팅할 수 있다. 상기 유기 고분자로는 사슬내에 수소분자를 함유하고 있는 열가소성 고분자(thermoplastic polymer)와 열경화성 고분자(thermosetting polymer) 어느 것이나 가능하다. 바람직하게는 사슬 내에 수소분자가 풍부한 올레핀계 고분자인 폴리에틸렌(polyethylene), 폴리프로필렌(polypropylene) 또는 이들 고분자의 공중합체가 유리하다. 그리고 이들 올레핀계 고분자는 열안정성을 고려하여 가교화된 구조로 막을 구성하는 것이 추천된다.

따라서, 트리튬을 방사성 물질층(10)으로 고정화시키는 형태로는 금속 박막, 유기 실리콘 박막 또는 유기 고분자막 등을 모두 사용할 수 있으며, 보다 바람직하게는 트리튬의 저장 안정성과 저장 밀도를 높일 수 있는 금속 박막을 사용한다.

상기 전자 증폭층(12)은 전자선을 증폭할 수 있는 금속화합물로 Cu, Ag, Au, W 등의 금속과 Li, Mg, Ca, Sr, Ba을 포함하는 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속으로 이루어진 합금조합을 사용하여 전자선 증폭 효과를 높힐 수 있으며, 통상적으로 사용되는 것으로는 Cu/Be 및 Ag/Mg이다. 또한, 수소화물을 형성하지 않는 Ag, Au, Pt의 금속과 알칼리계의 금속 조합을 사용하면 방사성 물질층(10)에 흡장된 트리튬이 전자선 증폭층으로 확산하는 것을 막아주는 효과가 있다. 상기의 금속 합금조합으로 형성된 전자선 증폭층(12)의 증폭비는 통상 4 ∼ 6 정도이며, 화학 증기 증착법과 같은 통상적인 방법으로 상기 방사성 물질층(10)상에 형성시킨다.

상기 방사성 물질층(10)과 전자선 증폭층(12) 사이에는 필요에 따라 전자선이 투과될 정도로 얇은 절연막(16)을 형성시킬 수 있다. 상기 절연막(16)은 방사성 물질층에 존재하는 이온분자 혹은 트리튬과 같은 방사성 원소가 전자선 증폭층(12)으로의 확산을 막아주는 역할을 한다. 경우에 따라서 방사성 물질층(10)과 전자선 증폭층(12) 사이에는 전압차를 주어서 전자선을 동공 내부로 유도시키는 역할을 한다. 또한, 상기 절연막은 SiC 또는 Al ₂ O ₃ 등을 포함하는 절연성 세라믹을 사용하거나 알칼리계 금속의 산화 피막층이 사용되고, 알칼리 금속 산화 피막층은 전자선 투과 시 증폭효과를 겸할 수 있다. 상기 방사성 물질층(10) 상에 미리 절연막(16)을 형성시킨 후, 전자선 증폭층(12)을 증착시키거나, 알칼리 금속 산화 피막층을 사용할 경우, 방사성 물질층(10) 상에 알칼리 금속 박막을 증착시킨 후, 산소로 약하게 산화시켜서 산화 피막층을 형성시키는 방법을 사용한다.

본 발명의 마이크로채널 판은 방사성 물질층(10)에서 방출된 전자선(13)은 상기 전자선 증폭층(12)을 투과하면서 증폭되며(A), 모세관의 동공으로 빠져나온 전자선(13)은 1 ∼ 3 kV의 전압차가 걸린 모세관 동공내부의 상기 전자선 증폭층(12)에 반사되어 통과하면서 계속 증폭(B)되는 것을 특징으로 한다. 본 발명의 마이크로채널 판은 투과증폭(A)과 반사증폭(B)의 두가지 형태를 동시에 가짐으로써 효과적으로 전자선을 증폭할 수 있다.

한편, 상기 전자선(13)은 외부에너지없이 전자선 증폭층(12)에서 단순히 증폭되는 것이 아니라, 전자의 이동경로를 따라 높은 전압을 걸어 주어야만 원하는방향으로 전자선을 증폭시킬 수 있으므로 본 발명에서는 모세공 동공에 1 kV 이상의 전압차를 걸어주며, 전자입자의 손실을 막아주는 목적으로 10 ^-6 ∼ 10 ^-7 torr의 고진공으로 구성된다. 이때, 전압차가 너무 낮으며, 증폭된 이차전자를 충분한 에너지로 가속시킬 수 없기 때문에 계속하여 전자선을 증폭시킬 수 없으며, 에너지가 낮은 전자선은 산업적 활용도가 떨어진다.

반면에 전자 입자수 방출에 영향을 미치는 주요 인자는 사용되는 증폭층 재료, 트리튬 흡장금속 종류, 금속층 두께, 트리튬 흡장 정도, 모세관의 길이, 모세관의 전압차 등이 있다. 따라서 여기에서 제시하는 값들은 상황에 따라서 변화가 있을 수 있다. 한편, 마이크로채널 판을 통과하여 나온 전자선(13)은 이차, 삼차로 마이크로채널 판을 통과시킴으로서 전자선 증폭을 최대화할 수 있다. 이를테면 2 ∼ 3 개의 마이크로채널 판이 Z stack 형태로 연결되어 전자선의 증폭 효과가 극대화된 평판형 전자선 발생장치를 제작할 수 있다.

본 발명은 상기 마이크로채널 판의 모세관의 말단에 음극 및 형광체가 증착된 투명전극이 마주보는 형식으로 도입된 영상 표시 장치를 제공한다.

기존 발명의 마이크로채널 판이 미약한 영상 신호를 증폭하는데 목적이 있다면, 본 발명은 전자선 발생에 목적을 두는 마이크로채널 판은 그 자체로서 영상장치로의 활용이 가능하다. 도 3 은 본 발명의 방사성 물질층이 내장된 마이크로채널 판을 활용한 영상 표시 장치를 도시한 것으로, 판상으로 배열된 각각의 모세관에서낱개의 모세관 전압을 전기적으로 조절해 줌으로써 영상신호를 구현할 수 있다. 보다 상세히 살펴보면 모세관(11)의 양 말단에 음극(18)과 형광체(20)가 증착된 투명전극(19)을 마주보는 형식으로 도입하면, 방출된 전자선(13)에 의해 형광체(20)가 자극되어 가시광(21)이 방출된다. 모세관(11) 말단의 전압과 투명전극의 전압을 전기적으로 통제함으로써 형광체로 유도되는 전자선량과 전자입자 에너지를 조절하게 되고 따라서 형광체에서의 광의 강약 조절이 가능하여, 모세관이 밀집된 평면(22)에 전기적 신호가 영상신호로 나타난다.

본 발명의 또 다른 목적은 전자선 발생장치의 단위 구성체를 모세관에 한정시키지 않고 얇은 박판 형태로서, a) 박판; b) 상기 박판의 양면에 증착된 자연 방사선을 방출하는 방사성 물질층; 및 c) 상기 방사성 물질층 표면에 증착된 전자 증폭층을 포함하는 박판을 무수히 적층시킨 평판형 전자선 발생장치를 제공한다.

도 4 는 본 발명의 방사성 물질층(10)과 전자 증폭층(12)이 박판의 양면에 표면 처리된 박판이 병렬 적층된 마이크로채널 판을 도시한 것으로, 얇은 유리판(23) 양면에 먼저 방사성 물질층(10)을 형성시킨 다음 전자선 증폭층(12)을 증착시켜 유리 박판을 얻을 수 있다. 상기 유리 박판은 10 ㎛ 내외의 얇은 절연막(16)으로 판 사이에 간격을 만들면서 무수히 병렬로 겹침으로써 평판형 전자선 발생장치를 제작할 수 있다. 절연막의 형태는 정해진 것은 없으며, 유리판 사이의 공간 간격을 유지시킬 수 있는 절연성 물질 어느 것이나, 이를테면 실리카 입자와 같은 절연성 분체도 가능하다. 또한 상기 평판형 전자선 발생장치를 2 ∼ 3 개 Z stack 형태로직렬 연결하여 전자선의 증폭 효과가 극대화된 평판형 전자선 발생장치를 제작할 수 있다.

본 발명은 상기에서 제시된 모세관형 또는 박판형의 단위구성체를 가진 평판형 전자선 발생장치, 전자선 집속 렌즈, 마스크, 전자선 감응 물질막, 전자선 유도 자석을 포함하는 전자선 식각장치를 제공한다.

도 5 는 상기 평판형 전자선 발생 장치를 이용한 전자선 식각 장치를 나타낸 것으로서, 평판형 전자선 발생장치(29), 전자석 집속 렌즈(26,26'), 마스크(24), 전자선 감응 물질막(28), 전자선 유도 자석(25,25')으로 구성된다. 보다 상세하게는 평판형 전자선 발생장치(29)에서 방출된 전자선(13)이 상하부에 설치된 강력한 전자선 유도 자석(25, 25')의 영향하에 공간을 이동하며, 자기장에 의해 전자선(13)이 마스크(24)로 강하게 유도되며, 상기 마스크(24)를 통과하면서 패턴 영상을 지니게 되고 영상의 촛점은 주변에 설치된 전자석 집속 렌즈(26, 26')로 보정되고, 반도체 웨이퍼(27)상에 도포된 전자선 감응 물질막(28)에 그 영상을 조사하게 된다. 상기 전자선 식각장치의 내부는 진공으로 유지되어 공간을 진행하는 전자선의 손실을 최소화한다.

따라서, 본 발명의 평판형 전자선 발생장치(29)는 반도체 웨이퍼 식각장치에 효과적으로 사용되며, 이로써, 일반적인 광노광 방식과 동일하게 한번의 조사로 반도체 웨이퍼 상의 넓은 표면을 전자선으로 감광시킬 수 있다. 이러한 경우, 전자선 식각장치는 광이 제공할 수 없는 높은 해상도의 회로 패턴 제작이 가능하면서도빠른 식각 작업도 가능한 장점이 있다.

이하 본 발명을 실시예에 의해 보다 상세히 설명한다.

단, 하기 실시예는 본 발명의 내용을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 범위가 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.

<실시예 1> 모세관을 이용한 마이크로채널 판 제작 1

외경 25 ㎛, 내경 10 ㎛, 길이 1 mm의 유리 모세관을 병렬로 배열하여 50 mm × 50 mm 면적의 평판을 만든다. 상기 평판 내부의 모세관 내벽을 화학증기 증착법으로 약 100 nm 두께의 티타늄 금속 막을 형성시킨 후, 상온 상압의 조건에서 트리튬을 포화상태로 흡장시켜 TiT ₂ 의 화학양론을 가진 방사성 물질층(10)을 형성시키고, Cu와 Be를 동시에 화학증기 증착법으로 처리하는 방법으로 Cu/2%-Be을 ∼ 50 Å 두께로 하는 전자선 증폭층(12)을 증착시켜서 마이크로채널 판(9)을 제작한다. 이때, 평판의 상하부 전압차는 -1.5 kV 로 고정하게 된다.

상기 모세관에 증착된 티타늄의 양은 티타늄 금속의 밀도 4.5 g/cm ³ 을 고려하면 약 2.8 ×10 ^-8 g이 되며, 여기서 이론적으로 발생되는 전체 전자입자 수는 최대 약 1.3 ×10 ⁶ electron/sec 이고, 화학양론 TiT ₂ 에 의해 티타늄 금속층에는 약 3.5 ×10 ^-9 g의 트리튬이 있다. 그러나 실제 티타늄 금속층을 투과하여 나올 수 있는 전자 입자수는 주변 매질에 산란되거나 흡수되기 때문에 줄어들고, 낮은 에너지의 전자선일수록 매질에 쉽게 흡수된다. 전자입자의 에너지와 투과거리와의 관계식은 다음과 같다.

R ~ (1/ρ)0.44E ^{(1.265-0.0954lnE)}

(여기서. R 은 투과 거리(cm)이며, ρ는 밀도(g/cm ³ )이고 E 는 전자입자의 에너지(MeV)이다.)

트리튬에서 방출되는 전자선의 최대에너지는 18.6 keV이므로 투과거리 R은 약 1.4 ㎛이며, 전자선의 평균 에너지인 5.69 keV에서는 투과거리 R은 약 0.1 ㎛이다. 따라서 트리튬에서 방출된 평균 에너지 이상의 전자입자는 충분히 티타늄 금속층을 투과하게 된다. 최대 빈도수를 가지는 3.0 keV 정도에서는 R은 약 0.024 ㎛ 정도로 급격히 줄어들어서 전자입자는 금속층 전체 깊이의 24 % 영역에서만 티타늄 금속층을 투과한다. 그 이하 에너지의 전자입자는 티타늄 금속층의 얕은 표면에서만 방출되고, 한편 전자선 증폭층(12)의 두께는 티타늄 금속층에 비해 얇고, 밀도가 낮아서 전자선 소멸에 미치는 영향은 무시한다. 상기 방식대로 방출된 전자입자는 전부 티타늄 금속층 밖으로 방출될 수 없으나, 전체 전자입자 중에서 적어도 60 %는 티타늄 금속층을 충분히 빠져나갈 수 있다. 한편 방사선은 모든 방향으로 방출되므로, 내부쪽 동공으로 양의 방향성을 가질 확율은 1/2이 된다. 따라서 티타늄 금속층 내의 트리튬에서 방출된 전체 전자입자의 적어도 30 % 가량이 모세관의 동공 쪽으로 빠져나오게 된다. 30 %의 전자입자는 처음으로 Cu/2%-Be 증폭층을 통과하면서 4 ∼ 6 배 증폭되며, 그 이후에는 동공속을 통과하면서 반사증폭 효과를 가진다. 차이는 있지만 보통 전자입자가 -1.5 kV의 전압차가 걸린 직경 10 ㎛ 길이 1 mm의 마이크로채널 판을 통과할 경우 약 ∼ 10 ³ 의 증폭비를 가진다. 그러나 본 발명의 방사성 물질층이 도입된 마이크로채널 판은 전자선이 직접 모세관 내부에서 방출됨으로써, 증폭비는 모세관 길이의 위치 함수가 된다. 전자선 증폭층(12)에서 증폭비가 적어도 4 라고 보면, 동공 내의 각 길이에서 발생된 전자의 증폭수는 N _am ∝ L ⁴ 으로 나타난다. L은 모세관의 출구로부터의 거리이므로 이를 적분하면 1 mm 길이의 모세관에서의 동공내 증폭비는 약 200 정도가 된다. 따라서 최종적으로 모세관의 출구를 빠져나오는 전자수는 전체 초당 발생전자수(1.3 ×10 ⁶ electron/sec) ×동공으로 나올 확률(0.3) ×초기 증폭비(4) ×동공내 증폭비(∼ 200) ≒ 3.1 ×10 ⁸ electron/sec이다. 이 양은 약 5 ×10 ^-5 ??A의 방출전류에 해당된다.

또한, 더욱 많은 양의 전자 입자수를 얻기 위해서는 상기 실시예 1의 마이크로채널 판 2 ∼ 3 개를 Z stack 형태로 직렬 적층하여 10 ⁴ ∼ 10 ⁶ 배 전자선의 방출을 증가시킬 수 있다.

<실시예 2> 모세관을 이용한 마이크로채널 판 제작 2

외경 25 ㎛, 내경 10 ㎛, 길이 1 mm의 유리 모세관을 병렬로 배열하여 50 mm×50 mm 면적의 평판을 만든다. 상기 평판 내부의 모세관 내벽을 화학증기 증착법으로 약 100 nm 두께의 티타늄 금속 막을 형성시킨 후, 상온 상압의 조건에서 트리튬을 포화상태로 흡장시켜 TiT ₂ 의 화학양론을 가진 방사성 물질층(10)을 형성하고, 다시 TiT ₂ 층 위에 SiC를 수십 Å 두께로 화학증기 증착시켜서 절연막을 형성시키고, Cu와 Be를 동시에 화학증기 증착법으로 처리하는 방법으로 Cu/2%-Be을 ∼ 50 Å 두께로 하는 전자선 증폭층(12)을 증착시켜서 마이크로채널 판(9)을 제작한다. 이때, 평판의 상하부 전압차는 -1.5 kV 로 고정하게 된다.

<실시예 3> 박판 적층형 평판형 전자선 발생장치 제작

너비 10 ㎜, 길이 1 ㎜, 두께 20 ㎛의 얇은 유리판(23) 표면에 직경 5 ㎛ 내외의 실리카 분체를 한층으로 ∼ 40 particle/㎟ 정도로 희박하게 분산-흡착시킨 후, 상기의 유리판(23) ∼ 400 개를 병렬로 겹쳐서 너비 10 ㎜ ×길이 10 ㎜, 두께 1 ㎜의 평판을 제작한다. 이때, 상기 실리카 분체는 절연막(16)을 대신한다. 유리판 사이의 공간 양면에 약 100 nm 두께의 티타늄 금속층을 화학 증기 증착법을 통해 형성시키고 상온-상압에서 트리튬을 포화상태로 흡장시켜 방사성 물질층(10)을 형성하고, Cu/2%-Be을 ∼ 50 Å 두께로 하는 전자선 증폭층(12)을 증착시켜서 평판형 전자선 발생장치를 제작한다. 이때, 평판의 상하부 전압차는 -1.5 kV 로 고정한다.

<실시예 4> 모세관 형태의 마이크로채널 판을 이용한 영상표시 장치 제작

상기 실시예 1에서 제작된 마이크로채널 판(9)을 Z 형태로 세 개층을 10 ㎛간격을 두고 적층하며, 상기 마이크로채널 판은 각각 -1.5 kV로 전압을 가한다. 상기 마이크로채널 판의 최종 모세관 말단으로부터 절연막(16)를 이용하여 100 ㎛의 간격을 두고 형광체(20)가 흡착된 ITO 투명 전극을 설치한다. 모세관(11) 말단과 형광체(20) 사이에는 -1 kV의 전압을 인가하여 모세관(11) 말단에서 나오는 전자선(13)을 가속시킨다. 전자 입자가 이동하는 공간은 외부와 차단하여 10 ^-6 torr 정도의 진공도를 유지시킨다. 상기 마이크로채널 판(9)을 구성하고 있는 각각의 모세관(11)은 전력변환장치와 연결되어 전압을 조절하도록 고안하였으며 외부 영상신호는 전력변환장치로 입력되어 각각의 모세관(11) 전압으로 전환되도록 한다. 그럼으로써, 50 mm ×50 mm의 평면에서 최대 2000 ×2000 화소의 영상표시 장치를 제작할 수 있다.

충분한 선량을 얻기 위해서, 일반적인 영상 표시 장치에서 요구되는 방출전류는 약 10 A/㎠ 이상이여야 함으로, 상기 실시예 1에서 내경 10 ㎛ 모세관을 이용하여 세개층으로 적층한 경우에는 하나의 모세관에서 10 ⁴ ∼ 10 ⁶ 의 증폭 효과로 0.64 ∼ 64 A/㎠의 방출전류를 얻을 수 있다. 형광 효율을 높이기 위해서는 형광체 표면에 전자선 증폭층(12)을 형성시킬 수 있다. 본 발명에서 언급된 1.5 keV가 걸린 모세관 내부를 1 개의 전자가 한번 반사 시, 4 ∼ 6 배 증폭되어 최종적으로 1000 배정도 증폭되므로 전자 입자는 모세관 내에서 4 ∼ 5 회의 반사가 이루어져출구에서 나오는 전자입자는 적어도 300 ∼ 400 eV 정도의 에너지를 지닌다. 이 정도의 에너지는 저전압용 형광체를 발광시키기에 충분한 에너지이다. 출구에서 방출된 전자 입자는 다시 형광체로 가속되어 에너지가 증폭되므로 본 발명의 전자선 발생 마이크로채널 판은 충분히 영상장치로서 활용된다.

<실시예 5> 박판 적층형 평판형 전자선 발생장치를 이용한 전자선 식각장치 제작

기밀성이 유지된 챔버(chamber)에 진공 펌프를 연결하고 내부 압력을 ∼ 10 ^-7 torr로 유지시킨다. 상기 챔버 내부에 지지대를 설치하고, 지지대 상부에는 실시예 3의 박판 적층형 전자선 발생장치(9')을 장착하고 전자선 방출면이 아래를 향하도록 한다. 상기 지지대 하부 받침면에는 표면에 전자선 감응 물질막(28)이 코팅된 반도체 웨이퍼(27)를 두고 그 면이 상기 전자선 발생장치(9')와 평행하도록 유지시킨다. 전자선 방출면과 반도체 웨이퍼(27) 사이에는 지지대에 고정된 전자선 마스크(24)를 두고 그 면이 반도체 웨이퍼(27)와 평행이 되도록 유지한다. 상기 챔버 바깥 상부에는 솔레노이드로 구성된 전자석의 S 극을 설치하고 바깥 하부에는 전자석의 N 극을 설치하여 챔버 내부로 전자선 방출면, 마스크(24) 및 반도체 웨이퍼(27) 면과 수직한 방향으로 1 ∼ 2 Tesla의 자기장을 균일하게 형성한다. 챔버 외부에는 전력공급장치를 두고, 상기 전자선 발생장치(9')에 전력을 공급하고 지지대 상부의 전자선 방출면과 지지대 하부의 반도체 웨이퍼(27) 간에 약 1 ∼ 3 kV 전자선 가속전압을 공급한다. 마스크(24)와 반도체 웨이퍼(27) 사이에서 도우넛형태의 자속밀도 1 ∼ 30 g auss의 전자석 집속 렌즈(26,26')를 설치하여 전자선 방출면에서 반도체 웨이퍼(27) 표면으로 향하는 전자선(13)이 통과하도록 하며, 전자석 집속렌즈(26,26')는 세밀하게 위치를 조절할 수 있도록 XY 스테이지 마이크로 구동기에 부착되어 지지대에 고정시킨다.

따라서, 본 발명의 반도체 웨이퍼 식각장치에서는 평판형 전자선 발생장치를 이용하여 한번의 조사로 반도체 웨이퍼 상의 넓은 표면을 전자선으로 감광시킨다.

이상에서 살펴 본 바와 같이, 본 발명은 a) 모세관; b) 상기 모세관 내벽에 증착된 자연 방사선을 방출하는 방사성 물질층; 및 c) 상기 방사성 물질층 표면에 증착된 전자 증폭층을 포함하는 전자선 방출 마이크로채널 판에 관한 것으로, 방출된 전자선이 모세관의 동공으로 투과되어 나오면서 증폭되고, 모세관 내부에서 전압차에 따라 이동하고 전자 증폭층에 반사되면서 증폭되는 것이다. 본 발명의 마이크로채널 판의 단위 구성체는 원통형의 모세관에 한정되지 않고, 얇은 박판 형태로도 가능하며, 박판을 적층시킴으로써 평판형 전자선 발생장치를 구성할 수 있다. 또한, 본 발명의 마이크로채널 판은 구성체의 모세관 전압을 조절함으로서 FED와 같은 영상표시 장치를 구성할 수 있고, 이외에도 본 발명에서 제시하는 마이크로채널 판 및 평판형 전자선 발생장치는 넓은 면적의 웨이퍼를 한번에 조사할 수 있는 전자선 식각장치를 구성할 수 있으며, 그 이외에도 전자선을 활용하는 전자현미경 및 질량분광분석기 등에서 전자선원으로 사용할 수 있다.