KRI Ion Beam Trouble Shooting(KRI 이온빔 트러블 슈팅) 정리

TROUBLESHOOTING

 

1. 파워서플라이. 이온 소스 시스템이 작동하지 않으면 파워서플라이, 이온 소스또는 기타 컴포넌트 결함이 있는지 명확하지 않은 경우가 많습니다.

파워서플라이가 문제로 의심되는 경우 이온 소스는 일반적으로 작동 압력(operating pressure)까지 펌핑되는 진공 챔버 내에 있습니다. 문제 해결은 배큠챔버를 대기 (atmosphere)로 배출하여 수행할 수 있지만 작동 압력 (operating pressure)으로 다시 펌핑하는 데 상당한 시간이 소요됩니다. 가장 좋은 순서는 환기 없이 최소한 초기 문제 해결을 수행하는 것입니다.

 

이온 소스 내에서 반응성 가스가 사용되는 경우 anode에 절연 코팅이 생성될 수있습니다. 이 절연 코팅은 일반적으로 실행 중에는 문제가 되지 않지만 다음 실행중에는 정상적인 작동을 방해하는 경우가 많습니다. 증상은 모든 전압이 정상이고캐소드으로의 가열 전류는 정상이지만 방전 전류는 몇 mA에 불과하다는 것입니다. 빔 전류는 0이거나 0에 가깝습니다. 이러한 증상이 문제에 적합하고 소스로의 가스 흐름이 정상인 경우 Sec.II.D.2에서 문제에 대한 보다 완전한 설명을 찾으세요.

 

앞의 증상이 문제에 적합하지 않다고 가정하면 파워서플라이를 끄고 배큠챔버에가까운 위치(보통 전기 피드스루 근처 또는 전기 피드스루)에서 이온 소스로부터분리해야 합니다. 이를 통해 파워서플라이와 이온 소스 단자에 모든걸 작업 할 수있습니다. 배큠챔버 내에서 문제가 발생할 가능성이 높기 때문에 먼저 이온 소스터미널에서 ohmmeter를 확인하는 것이 편리합니다. 이러한 점검은 모든 터미널과 그라운드 사이에서 이루어져야 합니다. 결과는 이온 소스의 개략도와 비교되어야 합니다. 특이한 디자인을 제외하고 두 개의 cathode lead 사이와 두 개의neutralizer lead 사이에서 전도도가 발견되어야 하며 다른 모든 체크는 open circuit을 보여야 합니다.

 

전도도는 거의 있는 그대로 받아릴 수 있습니다. 개방 회로가 있어야 하는 곳에 일반 저항계의 높은 저항이 있다면 높은 저항을 의심해야 합니다.

 

Conducting 필름이 인슐레이터 위에 있으면 높은 저항이 나타나고 이러한 필름의 저항은 작업 레벨의 볼티지가 가해지거나 인슐레이터의 온도가 상승하면, 필름의 저항이 급격히 떨어집니다.

 

 

전도도가 예상되지 않는 open circuit의 측정은 도움이 되지만 항상 정확한 것은아닙니다. 인슐레이터의 얇은 conducting film과 인접한 컨덕터 사이의 커넥션들은 약할 수 있습니다. 열팽창 및 수축 또는 기계 진동은 이러한 커넥션들을 쉽게 방해할 수 있으므로 저항계 (ohmmeter)가 전도도를 측정 못 할 수도 있습니다.

 

그러나 작동 레벨 전압이 적용되면 상당한 전도가 발생할 수 있습니다. 전도도가예상되지 않는 open circuit의 측정은 작동을 시도할 때 전도가 없다는 것을 보장하지는 않습니다.

 

반응형

 

아직까지 문제의 컴포넌트를 발견 못 했다면, 파워서플라이를 테스트더미 test dummy 에 연결하세요. 다음, 다른 사람에게 방해받지 않을거라는 것을 확인 한후, 파워서플라이를 낮은 전압으로 내리세요. 먼저 파워서플라이 작동이 특별한 변동이 없다는 것을 확인하세요. 이온소스와 연결 된 파워서플라이와 별다른 변동이없다는 걸 확인하는겁니다.

 

분리된 cathode와 neutralizer의 영향을 포함하지 않습니다. 반면에 이온 소스가 연결되어 있을 때 빔 또는 가속기 공급 장치의 과부하 사이클링이 발생하지만이온 소스가 분리되어 있지 않은 경우 이온 소스의 쇼트를 의심해야 합니다.

문제가 여전히 해결되지 않으면 하나 이상의 고전력 저항이 있는 dummy load를사용할 수 있습니다. 또는 이온 소스를 작동한 다음, 빠르게 파워서플라이를 끄고분리하면 배큠챔버 내부에 쇼트가 발견될 수 있습니다. 그런 다음 수축하기 전에전기 피드스루를 빠르게 확인하세요.

 

그런 다음 냉각으로 인해 electrical feed through 연결이 끊어지기 때문에 수축 전에 전기 공급을 통해 쇼트를 신속하게 확인할 수 있습니다. 쇼트는 이온 소스와 마찬가지로 유료일 수 있음을 기억하세요. 장기간 작동하는 동안 많은 양의 전도성 물질이 이동할 수 있으므로 차폐가 잘 된 위치에서 쇼트가 발생할 수 있습니다. 쇼트는 30~40cm의 절연체 위에 전도성 필름이 형성되어 발생하기도 합니다.

규칙이나 권장 절차를 위반하지 마십쇼. 진행하는 도중에는 이 모든걸 이해하는 답당자와 함께 있어야합니다. 고전압 주변에서 성급하거나 무리하게 빠른 속도로 진행하지 마십쇼.

배출 후 이온 소스와 전기 연결을 검사하세요. 확인 후 이온 소스를 제거 및 분해하세요. 이온 소스의 작동을 이해하는 사람이 있는지 확인하세요. 비정상적인 파워서플라이 오류가 있을 수 있습니다. 이러한 오류는 서로 맞지 않는 장비를 함께 사용할 때 발생합니다. 파워서플라이와 이온 소스를 구입하여 하나의 장치로 사용하는 경우에는 발생하지 않습니다.

 

전기적 고장은 광폭 이온 소스 작동의 흔히 일어나는 일이며 파워서플라이 고장을 일으킬 수 있습니다. 계속되는 이온 차단의 결과로 이온 광학 그리드 사이에 작고 날카로운 돌출부가 자랍니다.

이러한 돌출부는 결국 전기적 고장을 촉발시켜 관련된 돌출부를 태워 없애버립니다. 돌기의 성장 속도와 고장의 빈도는 더 높은 전압에서 증가하지만 모든 전압에서 일부 고장이 발생할 수 있습니다.

이러한 오류는 상승 시간이 (rise time) 매우 빠르며 이온 소스와 함께 사용하도록 설계되지 않은 파워서플라이에 손상을 줄 수 있습니다. 이러한 문제는 범용 (general) 파워서플라이를 사용하여 이온 소스를 작동할 때 가장 자주 발생합니다. 손상은 일반적으로 제어 및 보호 회로에서 발생하는 손상과 함께 고도로 규제된 공급 장치에서 나타납니다. 일반적인 해결 방법은 더 간단한 전원을 사용하거나 직렬 저항을 사용하여 서지를 제한하는 것입니다.

방전 서플라이 (discharge supply)에서 다이오드 diode 오류가 발생할 수 있습니다. 이러한 오류가 반복되면 교체 부품이 적절한 전류 및 전압 기능을 갖고 있는 것처럼 보이지만 이온 광학 장치 (ion optics)의 전기적 고장으로 인해 오류가 다시 발생할 수 있습니다. 오류때 끊어진 동안 가속기 전원 공급 장치에 흐르는 전류는 가속기가 전자를 역류하는 데 더 이상 장벽을 제공하지 않을 때까지 가속기 전압을 감소시킵니다(더 양수가 됨). 이온 빔과 중화기에서 나오는 전자 펄스는 광학 장치를 통해 다시 가속될 수 있습니다. 이러한 전자에 의해 획득된 에너지 때문에 방전 체적을 빠르게 통과하여 방전 챔버 벽에 부딪치는 경향이 있습니다.

이 벽이 Fig. II-2 에 표시된 회로의 캐소드에 연결되어 있으면 이 전자 펄스 (pulse of electrons) 가 방전 공급을 빔 전압의 상당 부분으로 역바이어스 (back bias)할 것입니다. 역 바이어스가 (back bias) 발생하려면 방전 챔버 (discharge chamber)의 후면 벽이 캐소드 전위에 연결되는 것 외에도 표시된 대로 전원 공급 장치를 연결해야 합니다.캐소드

 

이 문제에 대한 두 가지 해결책이 있습니다. 하나는 손상되지 않고 역전류를 견디도록 방전 공급 장치를 설계하는 것입니다. 다른 하나는 빔 서플라이의 양극을 양극 내부의 캐소드서플라이 센터 탭에 연결하는 것입니다. 캐소드 전위 표면에 대한 전류 포스트는 디스차지서플라이를 통해 강제되지 않고 빔 서플라이로 직접 이동합니다.

 

그러나 이러한 회로의 변화로 인해 빔 공급 전압 (beam supply voltage)은 더 이상 디스차지 전압의 오차로 이온이 가속되는 전압을 나타내지 않습니다. 이를 수정하는 간단한 방법은 빔 서플라이 애노드에 연결되어 있어도 양극에서 빔 전압을 측정하는 것입니다. Accelerator 에 공급 장치에 대한 또 다른 문제가 있습니다. 잘 작동하다가 Accelerator 서플라이가 갑자기 낮은 전압과 높은 전류를 보이는겁니다. 극단적인 경우 Accelerator 서플라이가 손상됩니다. 이온 광학계 (ion optics)를 ohmmeter로 테스트하면, 문제는 발견되지 않습니다.

 

이 문제의 원인은 이온 광학 장치 (ion optics)의 고장입니다. 고장은 Accelerator 서플라이에 일시적으로 과부한 오버로드가 걸리므로 이온 옵틱스의 전압과 전체 전압이 감소합니다. 감소된 총 전압으로 이온 옵틱스  장치의 전류 용량이 감소하고 Accelerator 충돌이 크게 증가했습니다. 이로 인해 Accelerator 서플라이에서 지속적인 오버로드가 발생합니다.

 

해결책: 정상 Accelerator 전류가 빔 전류보다 훨씬 낮았지만, Accelerator와 빔 서플라이는 전기 파괴 중에 함께 연결 돼있습니다. Accelerator 서플라이의 현재 용량은 빔 서플라이의 현재 용량과 거의 같아야 합니다.

 

2. 디스차지 챔버

흔한 오류는 방전을 설정할 수 없다는 것입니다. 이 문제의 몇 가지 원인은 다음과 같습니다. (1) 부적당한 유입 (emission), (2) 너무 낮은 가스 흐름 (gas flow), (3) 방전을 시작하기 전에 빔과 Accelerator 전압을 적용하고 애노드에 절연 코팅이 있는 경우입니다. 방전의 시작은 재현할 수 없습니다.

배출확인: 캐소드 서플라이의 정상적인 가열 전류 + 아주 작은 캐소드 전압은, 캐소드 리드들 (cathode leads) 사이의 쇼트를 나타냅니다.

 

또 다른 상황은 다음과 같습니다. 정상 전압이지만 캐소드 서플라이에서 전류가 흐르지 않으면 캐소드 서플라이 어딘가에 오픈된 회로를 나타냅니다. 캐소드 오류로 인해 발생할 수 있습니다. 캐소드가 작동되지 않은 경우 원인은 캐소드 끝부분의 전기 접촉 불량일 수 있습니다.

 

음극 공급 전압 및 전류의 정상 값은 적절한 방출을 보여야 합니다. 그런 다음 문제의 원인을 다른 곳에서 찾아야 합니다. 작업자는 이전 실행에서 정상적인 음극 가열 전류가 무엇인지 알아야 합니다. 소스가 새 것이기 때문에 이것이 알려지지 않은 경우 필요한 가열 전류는 Table III-1, Sec. III. B 에서 추정할 수 있습니다.

 

Sec. II.B.2 에서 언급했듯이 방전을 시작하는 데 필요한 가스 플로우는 방전이 시작된 후 방전을 유지하는 데 필요한 플로우보다 높을 수 있습니다. 또한 사용되는 가스 유형의 변경으로 인해 필요한 가스 플로우가 변경될 수 있습니다. 일반적으로 더 가벼운 가스는 더 높은 가스 흐름을 필요로 합니다. 

 

방전이 시작될 때까지 방전 전류는 공간 전하 효과에 의해 몇 mA 이하로 제한됩니다. 가스 흐름이 너무 낮아 방전을 시작하면 음극 전류와 전압이 정상이더라도 방전 전류가 매우 낮게 유지됩니다. 방전이 시작되기 전에 빔과 가속기 전압을 인가하면 방전 챔버에 작은 전기장이 생겨서 캐소드에서 애노드로의 초기 전자 흐름을 억제할 수 있습니다. 이 영향의 크기는 특정 이온 소스 설계에 따라 다르지만 방전 시작을 방지할 수 있습니다. 방전을 시작하기 전에 빔과 가속기 전압을 꺼야 할 수도 있습니다.

 

애노드의 절연 코팅 (insulating coating)을 보기가 어렵습니다. 레이어가 투명하고 눈에 띄지 않을 수 있으므로 시각적 개체에만 의존하지 마십시오. 저항계를 사용한 우연한 검사는 종종 레이어의 존재를 나타내지 않습니다(Sec.III.F.2). 저항계로 더 주의 깊게 확인하십시오. 절연층의 존재 여부를 가장 잘 확인할 수 있는 것은 양극을 청소한 후 문제가 사라질 때입니다.

 

문제는 대부분 이온 소스가 냉각된 후 다음 실행을 위해 방전을 시작할 수 없을 때 나타납니다. 때로는 다음 실행에서 정상 작동이 설정될 수 있지만 더 긴 워밍업 후에만 가능합니다. 종종 방전 전류의 몇 mA 만 볼 수 있습니다. 이는 정상적인 방전이 발생하지 않았음을 의미합니다. 

 

사용된 작업 가스 유형으로 인해 코팅이 발생하는 경우 적절한 셧다운 절차가 도움이 될 수 있습니다 (Sec. II.B.7). 코팅이 절연 타겟의 백 스퍼터링으로 인한 것이라면 층이 청소가 필요할 정도로 두꺼울 수 있습니다. 이온 소스의 설계에 따라 대부분 스테인리스 스틸이 아닌 자성 판금 조각을 사용하고 애노드를 덮는 데 사용할 수 있습니다. 그런 다음 청소는 단순히 판금을 교체하여 수행할 수 있습니다. 최근 이온 소스 설계 중 일부는 다음과 같은 경우 양극을 제거했습니다. 여분의 애노드를 사용할 수 있으므로 깨끗한 상태로 보관할 수 있으므로 다른 하나는 청소하는 동안 사용할 수 있습니다.

 

3. 이온 광학

이온 광학 옵틱스의 흔한 고장 모드는 작은 재료 조각에 의해 그리드 사이에 전도 경로가 설정된 경우입니다. 이온 광학 장치가 새 제품인 경우 해당 부품이 생산과정에서 남은것일 수도 있습니다.

그래파이트 그리드의 새로운 조각들은 완전히 제거하기 어렵습니다. 이온옵틱스가 많이 사용된 경우 조각은 스퍼터에서 증착된 느슨한 재료 층에서 나올 가능성이 더 큽니다.

 

이온 소스 구성에 따라 이 오류는 두 가지 방식으로 나타납니다. 스크린 그리드가 캐소드에 연결된 경우 방전 전류 (discharge current) 없이 빔 가속기 (accelerator) 전압을 적용하면 대부분 매우 낮은 빔 및 가속기 전압으로 동일한 (equal 한) 빔 및 가속기 전류가 표시됩니다.

대부분 화면이 전기적으로 절연되어 있으면 테스트에 전류가 없을것입니다. 빔 전류의 60~80%에 해당하는 가속기 종류는 디스차지가 켜진 상태에서 작동 조건에서 발견됩니다. 무언가가 직접적으로 방해했다고 오해 할 수 있습니다만. 그리드가 쇼트나면, 가속기에 나타나는 빔 전류의 부분은 전류 레벨에 관계없이 거의 일정합니다. 만약, 직접적인 방해였다면, 낮게 시작해서 빔전류레벨이 꾸준한 빔,가속기 볼티지로 잔량이 꾸준히 증가합니다.

 

작은 조각을 제거하기 위해 건조한 가스로 그리드 사이를 부드럽게 불어서 없애주세요. 그리드는 약함으로 가스압이 너무 강하면 손상될 수 있습니다. 가스로 이물질 제거가 부족하면 wipes를 사용해주세요.

그리드용 지지 절연체 (insulator)는 구성들이 많을 수 있습니다. 이러한 절연체에 전도성 코팅을 형성하면 다른 효과들이 있을 수 있습니다. 절연체가 그리드 사이에 있으면, 그리드를 쇼트시키는 작은 조각이 있을때와 유사할 것입니다. 작은 조각이 있을때와의 가장 큰 차이점은 대부분 ohmmeter가 그리드 사이에 더 높은 저항을 표시한다는 것입니다. 그리드 중 하나에 접지 전위 도체로 연결되는 지원 절연체가 있는 경우 제거할 전압은 해당 그리드에 대한 전류를 생성하지만 다른 등급에 대한 전류는 생성하지 않습니다. 예를 들어, 접지 절연체에 대한 가속기에 전도성 코팅이 있는 경우 방전 없이 가속기 전압을 켜면 가속기 전류가 발생하지만 빔 전류는 발생하지 않습니다.

전도성코팅이 있는 절연체에 관리법은 절연체를 클리닝시키는 것입니다 (Sec. IV.G.1). 몇개에만 코팅이 되어있어도, 모두 다 클리닝 해야합니다.

 

이온옵틱스에 마지막 실패모드는 오정렬 입니다. 오정렬일 경우 적당한 이온빔 전류로 가속기 전류가 증가 할 때 보입니다. 또 하나의 힌트는 타겟에 잘못위취 된 빔입니다. Fig. IV-7, Sec. IV.D. 디테일한 설명을 찾으십쇼. 옮기거나 설치과정에서 뒤틀릴 수 있고 해결할 때에는 Sec.IV.G.2 를 참고하세요. 

 

4. 고전압 배선. 

고전압 배선을 사용하는 실패 모드 (Failure mode)는 대부분 빔 서플라이 Arcing 과 관련있습니다. Arc를 찾기 위해 관찰하거나, 물리적 손상으로 찾을 수 있습니다. Arcing을 찾기 위해 아크 모드에서 더 오랜 시간 동안 작동해야 파악됩니다. 아크의 원인은 대부분 양극 표면의 열악한 전기 차폐로 추적할 수 있습니다. 표면은 대부분 와이어 또는 와이어용 터미널입니다. 이온소스에 수정작업이 있었다면, 이온소스 표면일 수도 있습니다. 

필요한 차폐 shielding 정도는 작동 조건과 진공 챔버의 위치에 따라 다릅니다. 그러나 0.3mm 보다 큰 두 개의 양극 도체가 진공 챔버에서 나오는 구멍은 아크의 원인으로 볼 수 있습니다 Sec.XII.C.2).

접지된 fine mesh 스크린을 사용하여 터미널을 동봉해야 환기가 됩니다. 와이어 자체는 밀접하게 간격을 둔 세라믹 비드로 덮어야 합니다. 대부분의 빔 프로브와 같이 적당한 전압에는 비드만 있으면 충분합니다. 양극 전위에 접근하는 전압의 경우 세라믹 비드 외부에 추가 차폐가 필요합니다.

 

5. 섭스트레이트 기판 손상

청결한 환경을 유지하는것이 가장 중요합니다. 모여지는 스퍼터링 된 레이어를 제어해야 합니다. 스퍼터 된 레이어는 일부 표면에 부착될 때 문제가 되지 않는데, 문제는 레이어가 벗겨지고 떨어져 나갈때 입니다. 몇 가지 솔루션이 있습니다. 제거 가능한 라이너는 진공 챔버 내부에서 사용할 수 있습니다. 각 실행 후 또는 공기에 노출된 후 라이너를 교체하는 데 도움이 됩니다. 펌프 다운 또는 공기에 닿을때 기류를 제어하는 진공 챔버 벽에서 입자를 제어하는 데 도움이 됩니다. 

타겟 및 증착 표면은 입자가 떨어지는 것을 방지하기 위해 수직이거나 아래방향으로 해야 합니다. 이온빔이 부적절하게 중화되면 기판 손상이 발생할 수도 있습니다. Viewing port/window가 있으면 다양한 표면에서 작은 섬광, 반짝거림을 볼 수 있습니다. 각 플래시는 짧고 한 지점에서 시작하는 것으로 보이며 약 90°로 확장되고 해당 지점에서 몇 mm 거리에 걸쳐 감소합니다.

이 섬광, 반짝거림은 부적절하게 중화된 이온 빔에 전자들이 추가되고 있음을 나타내는 short-duration arc 입니다. 타켓 또는 섭스트레이트 표면에서 발생할 때 저배율 현미경으로 볼 수 있는 손상 부위를 유발합니다. 작은 입자는 타겟 또는 섭스트레이트 근처에서 발생할 때 타겟 또는 기판으로 이동할 수 있습니다. 

두 가지 원인이 있습니다. 중화기 (neutralizer)가 충분한 전자를 생성하지 않거나 중화기가 이온빔과 충분히 밀접하게 짝을 이루지 못합니다. 뜨거운 필라멘트 중화제 (hot filament neutralizer)는 항상 이온빔의 조밀한 부분 내에 있어야 제대로 커플이 됩니다. 이온 빔 외부에 있는 경우 이온 빔은 양수이며 중화기에서 필요한 전자 전류를 끌어오기 위해 중화 플래시를 생성하기에 충분합니다. 중화제 가열 전류 (neutralizer heating current)가 타겟 전위에 의해 제어되면 제어가 작동하지 않을 수 있지만 타겟은 절연체로 코팅됩니다. 이럴 경우 수동으로 중화제를 제어합니다 (Sec.II.C.6).

 

방전 전압이 너무 높으면 이중 전하 이온의 상당 부분이 생성됩니다. 표적 피해는 날아다니는 이온으로도 발생할 수 있습니다. 이중 하전 이온의 몇 퍼센트만이 전체 이온 빔이 두 배의 에너지로 가속된 것과 동일한 손상 깊이를 만들 것입니다. (Sec.III.D, Sec.XIII.E).

 

이중 하전 이온의 분율이 측정되지 않기 때문에 효과는 일반적으로 무시됩니다. 단, 디스차지챔버의 손상 깊이나 스퍼터 오염이 심한 경우에는 디스차지볼티지의 동작 정도를 정확하게 확인해야 됩니다. Argon 아르곤이 워킹가스인 경우 디스차지볼티지는 40V 이하로 제한되어야 합니다.