Characterization of Cold Hollow Cathode Ion Source by Modification of Electrode Structure

The inner-diameter 5 cm cold hollow cathode ion source was designed for the high current density and the homogeneous beam profile of ion beam. The ion source consisted of a cylindrical cathode, a generation part of magnetic field, a plasma chamber, convex type ion optic system with two grid electrode, and DC power supply system. The cold hollow cathode ion sources were classified into standard type (I), electron output electrode modified type (II). The operation of the ion source was done with discharge current, ion beam potential and argon gas flow rate. The modification of electron output electrode resulted in uniform plasma generation and uniform area of ion beam was extended from 5 cm to 20 cm. Improved ion source was evaluated with beam uniformity, ion current, team extraction efficiency, and ionization efficiency.

전극 구조 변화에 따른 Cold Hollow Cathode Ion Source의 특성 변화

직경 5 cm cold hollow cathode 이온원을 박막의 이온보조증착법 또는 이온보조반응법에 사용하기에 적합한 이온빔으로 넓은 면적을 균일하게 조사할 수 있는 이온원을 설계, 제작하기 위한 방안으로 연구하게 되었다. 이온원은 글로우 방전을 위한 음극과 이온화 효율의 증가를 위한 자석, 플라즈마 챔버, 그리드 전극으로 이루어진 이온광학시스템, 직류전원공급장치로 이루어진다. 전자인출전극의 구조 및 형태로 구분하여 한개의 노즐로 이루어진 (I) 형태와 복수개의 노즐로 변형된 (II) 형태로 제작하였다. 서로 다른 구조의 전자인출전극 (I)형태와 (II) 형태를 부착한 이온원에 beam profile을 측정한 결과 (I) 형태의 전자인출전극을 부착한 경우에는 이온원의 중심에서 140 $\mu\textrm{A}$/$\textrm{cm}^2$으로 측정되어 졌으며, 외곽으로 멀어질수록 급격히 전류밀도가 감소하여 균일한 영역(최대값의 90%)은 직경 5 cm로 측정되어졌다. (II) 형태로 변형되어진 이온원의 경우 중심에서 65 $\mu\textrm{A}$/$\textrm{cm}^2$으로 (I) 형태와 비교하여 상대적으로 낮은 전류밀도가 측정되었지만 외각으로 멀어졌을 경우에도 전류밀도는 완만하게 감소하여 균일한 영역은 직경 20 cm로 측정되었으며, 본 연구목적에 부합되는 특성이 측정되었다. 이온빔 균일도가 증가한 (II) 형태의 전자인출전극을 부착한 이온원으로 주입하는 아르곤 가스량의 변화, 이온광학시스템의 플라즈마 그리드 전극과 가속 그리드 전극 간격의 조절, 이온빔 에너지 변화에 따른 beam profile 및 특성을 괸찰하였다.