Ion beam generation scheme using an acceleration grid system has many different applications. In the material processing area, the application includes plasma implantation, reactive ion etching, and neutral beam generation. One of the main issues in the ion beam generation has been in the raising of the beam flux. The research has been confined to the grid hole diameter, the grid gap, the grid voltage distribution, and the source plasma density. Even though a considerable progress has been made in optimizing these physical conditions, a higher ion beam flux is still in demand without warrant for further improvement. A different approach and the fundamental physics understanding may now be needed for further advances in this field.
In the present research, an uncommon computational approach is taken to understand the physics and to examine the possibility of raising the ion beam flux by applying a voltage bias on the conducting wall of a numerical plasma source. The simulation performed here is uncommon in the sense that the source plasma, sheath potential and the acceleration grid hole are considered in a self-consistent manner. It is found that a strongly positive wall-biasing can significantly enhance the ion flux by improving the shape of the plasma sheath potential meniscus at the entrance to the grid hole structure. It is also found that a weak positive wall-biasing can actually reduce the ion flux by distorting the plasma sheath potential meniscus without improving the overall shape.
A neutral beam source is one of candidate methods to reduce plasma-induced damage problems. The ion beams extracted through the grid structure are directed to the surface of a conducting plate (reflector) and are converted into neutral beams. A molecular dynamics simulation tool has also been developed using a molecular dynamics algorithm. The roughness of the reflector surface is experimentally measured and taken into consideration in the simulation. The energy and angular distributions of the neutral beam are obtained and the energy yield of the reflected neutral particles is found to be in good agreement with experimental data.
가속 그리드를 이용한 이온빔 시스템은 이온 식각, 이온 주입등의 반도체 공정 및 중성입자빔 생성 등 많은 연구에 응용되어왔다. 이온빔의 중요 이슈중 하나는 이온빔의 선속을 높이는 것이다. 이온빔은 가속 그리드의 구조, 즉, 그리드 홀의 지름, 그리드 사이의 간격, 그리드 전압 및 플라즈마 소스 밀도를 조절하여 선속 향상에 대한 연구를 해왔다. 이들 그리드 구조 및 플라즈마 소스를 최적화시키는 많은 연구가 진행되어 왔으나, 여전히 높은 이온빔 선속 연구가 요구되고 있다. 이에, 이온빔의 연구는 근본적인 물리의 이해와 다른 접근 방법이 필요하다. 먼저 이온빔의 특성을 알아보기 위하여 3-그리드로 이루어진 이온빔 시스템을 이용하여 전산모사를 하였다. 플라즈마 소스로부터 가속그리드를 통과한 이온빔 시스템에서 이온빔의 선속향상에 대한 연구를 수행하였다. 가속 그리드 근처에서 쉬스의 변형을 최소한으로 하여 이온빔의 선속을 높일 수 있다. 본 연구에서는 Wall biasing을 통해 sheath를 조절하였다. 이에 PIC-MCC 코드를 이용하여 플라즈마 소스 wall에 bias를 걸어 sheath 변형에 대한 전산모사를 하여 플라즈마 밀도, wall bias 전압에 따라 sheath 변형 및 이온빔의 선속을 얻는다. 본 연구를 통하여, positive wall biasing이 sheath 변형을 최소화 함으로서 이온빔의 선속을 향상시킬 수 있음을 확인하였다.
중성빔은 하전 입자에 의한 Charging damage를 줄이기 위한 대안으로 활발히 연구되고 있다. 이러한 중성빔은 이온과 금속 전도체의 상호작용으로 발생된다. 본 연구에서는 중성빔 생성 기작을 이해하기 위하여 분자동역학 전산모사를 수행 하였다. 실험적으로 측정된 rough surface 를 금속 표면의 조건으로 전산모사를 하였다. 이 결과 금속 표면 에서 발생된 중성입자 빔의 에너지 분포와 각 분포를 계산할 수 있었으며, 에너지 분포가 실험치와 잘 일치하였음을 확인하였다.
