초소형 질량 분석기를 위한 이온화원 제작

Abstract

본 논문은 탄소나노튜브로 된 전자방출원을 이용한 초소형 질량분석기의 제작과 실험에 관한 것이다. 기존에 연구되었던 열전자방식의 전자방출원은 방출되는 전자의 양과 수명에 있어서 단점이 발견됐다. 이것을 전계방출 특성이 뛰어난 탄소나노튜브를 이용한 전자방출원으로 대체하면 큰 전류를 얻을 수 있으며 기계적, 전기적, 화학적 특성이 우수하여 긴 수명과 강한 내구성을 보여준다. 또한 마이크로머시닝 기술을 이용하여 기존 고가의 대형장비를, 휴대가 가능하고 저렴한 소형장비로 제작할 수 있다. 초소형 질량분석기는 유리 기판과 실리콘 기판으로 구성되어 있다. 유리 기판에는 이온분석기로써 생성된 이온이 비행 시간에 따라 질량대전하비 (mass to charge ratio)로 분석되는 비행시간형 (TOF : Time-Of-Flight) 방식에 필요한 전극을 제작한다. 실리콘 기판에는 전자방출원으로써 금속과 같은 특성을 가진 High doping 실리콘 웨이퍼에 게이트 전극을 패터닝을 통하여 형성한 뒤 탄소나노튜브 성장을 위하여 다시 패터닝을 하고 100μm 건식식각을 한다. 촉매는 스퍼터링으로 증착하고 열화학기상증착법 (HFCVD)을 이용하여 탄소나노튜브를 성장 시켜준다. 탄소나노튜브 전자방출원은 1.2 × 0.6 mm의 직사각형 모양에 탄소나노튜브를 성장시켜 제작하였다. 제작된 초소형 질량분석기의 크기는 18.5 × 17 × 2 mm3 이고 5 × 10-6 Torr의 진공 챔버에 장착되어 동작실험을 확인하였다.