KR100542509B1 - 대전량 측정 장치 및 하전빔의 변위량 측정 장치 - Google Patents

Abstract

내부의 기체를 배기할 수 있는 용기와,

상기 용기 내에 하전빔을 출사시키는 빔 출사부와,

상기 빔 출사부로부터 출사되는 하전빔이 충돌하는 위치에 배치되는 제1 전극과,

상기 제1 전극과 상기 빔 출사부 사이에 배치되고, 상기 제1 전극보다도 전위를 낮게 설정할 수 있는 제2 전극과,

상기 하전빔이 충돌하는 위치를 측정하는 제1 측정부와,

상기 위치에 의거하여 상기 제1 및 제2 전극 사이에 배치되는 피측정물의 대전량을 측정하는 제2 측정부를 구비하는 것을 특징으로 하는 대전량 측정 장치에 관한 것이다.

대전량 측정 장치, 챔버, 전자총, 구동 기구, 전극판, 유리판 형광체

Description

대전량 측정 장치 및 하전빔의 변위량 측정 장치{CHARGE AMOUNT MEASURING DEVICE AND SHIFT AMOUNT MEASURING DEVICE OF CHARGED BEAM}

도1은 본 발명에 관한 대전량 측정 장치(1)의 구성도.

도2는 제1 및 제2 전극판(8a, 8b)을 모식적으로 도시한 도면.

도3은 고체 절연물(IS)과 전극판(8b)과의 위치 관계를 도시한 도면.

도4는 제1 관찰계에 의한 전자빔의 편향 모습을 모식적으로 도시한 도면.

도5는 궤도 보정 장치(16)의 일형태를 모식적으로 도시한 도면.

도6은 제2 전자빔의 편향 모습에 대해 도시한 모식도.

도7은 X축 방향으로의 빔 편향을 도시한 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 대전량 측정 장치

2 : 챔버

4a : 관찰창

6a, 6b : 전자총

8a, 8b : 전극판

10 : 구동 기구

14 : 유리판 형광체

16a, 16b : 유리 장치

17 : 궤도 보정 장치

18 : 대전량 산출 수단

IS: 고체 절연물

본 발명은, 대전량 측정 방법, 하전빔의 변위량 측정 방법, 대전량 측정 장치 및 하전빔의 변위량 측정 장치에 관한 것이다.

전기 기기나, 방전 응용 기기에 있어서의 하전 도체의 지지물로서, 고체 절연 재료가 널리 이용되고 있다. 그러나, 고체 절연물과 주위의 액체나 기체와의 계면에 있어서 계면 방전 등이 생기므로, 고체 절연물의 표면이 대전하는 경우가 있다. 고체 절연물이 대전하면 전기 절연이 유지되지 않으므로, 하전 도체의 지지물로서의 역할을 감당할 수 없다. 또한, 대전에 의해 주위의 전기장 등을 변화시킨 결과, 전기 기기 등의 기능이 감당되지 않을 가능성도 있다. 따라서, 고체 절연물의 대전량을 측정하는 것이나, 대전하고 있는 고체 절연물이 주위에 부여하는 영향을 측정하는 것은 전기 기기 등의 기능을 확보하기 위해 유용한 것이라고 할 수 있다. 종래 절연물의 대전량 측정 방법으로서, 이하와 같은 방법이 알려져 있다. (1) 센서를 절연물 표면에 접근시켜 표면 전하가 센서에 정전기적으로 유기하는 전하를 측정하는 방법(1998년 정전기 학회지 제22권 제3호「절연 재료 표면의 주연면 방전과 대전」). (2) 포켈스(pockels) 결정을 절연물 표면에 근접시켜 포켈스 효과에 의해 결정 양단부면에 걸친 전압으로부터 표면 전하를 측정하는 방법(평성 12년 전기 학회 전국 대회 1-064「포켈스 효과를 이용한 표면 전위계의 검토」).

그러나, (1)의 방법의 경우, 센서의 대향 면적으로서 어느 정도의 크기가 필요하며, 또한 절연물의 표면이 시트 등 평면을 상정한 상정 방식이다. 이로 인해, (1)의 방법에서는 실용 레벨에서는

2 ㎜ 정도의 프로우브(분해능)가 최소라는 문제가 있다. 또한, (2)의 방법도 마찬가지 이유 때문에 연구 레벨에서는 수 ㎜ 정도의 프로우브가 최소로, 분해능은 프로우브 사이즈의 1/2 정도로 머문다는 문제가 있다. 또한, 측정면을 포켈스 결정 표면으로 만들어 버리는 방식에서는 분해능은 파장 수준까지 나올 가능성은 있지만, 측정 대상이 포켈스 결정 그 자체이므로 일반적인 절연물에 적용할 수 없다는 문제점이 있다. 또한, 일본 특허 공개 평7-288096호 공보에는 시료의 대전 상태를 자동적으로 간단하게 검출할 수 있는 시료의 대전 검출 방법에 대해 기재되어 있다. 이 방법은, 전자빔을 시료 상에 2차원적으로 주사하고, 그 반사 전자 신호를 검출하여 시료의 대전을 검출하는 방법이다. 그러나, 전자빔을 시료 상에 주사하는 것 자체에 의해 시료의 대전 상태가 변화해 버린다는 결점이 있으며, 측정 정밀도의 점에서 문제가 있다.

본 명세서에 있어서,「관통 구멍」이라 함은, 하전빔을 통과시키기 위한 구 멍인 것을 의미한다. 관통 구멍의 형상은 원형뿐만 아니라, 선형의 슬릿이나, 메쉬, 사각형의 구멍, 그 외에 빔 통과를 위한 구성을 포함하고, 또한 애퍼쳐와 같이 일부만을 통과하는 구성도 포함한다. 또한, 본 명세서에 있어서「근방」이라 함은, 대전량이 측정되는 시료의 최대 길이의 절반보다 작은 범위로 한다.

본 발명의 또 다른 목적 및 장점은 이어지는 상세한 설명에서 설명되고, 부분적으로는 상세한 설명으로부터 명백해지거나, 발명의 실시예에 의해 이해될 수도 있다. 본 발명의 목적 및 장점은 특히 이하에서 지적될 기구 및 조합체에 의해 구현되거나 실현될 수도 있다. 본원 발명의 일 태양에 따르면, 내부의 기체를 배기할 수 있는 용기와, 상기 용기 내에 하전빔을 출사시키는 빔 출사부와, 상기 빔 출사부로부터 출사되는 하전빔이 충돌하는 위치에 배치되는 제1 전극과, 상기 제1 전극과 상기 빔 출사부 사이에 배치되고, 상기 제1 전극보다도 전위를 낮게 설정할 수 있는 제2 전극과, 상기 하전빔이 충돌하는 위치를 측정하는 제1 측정부와, 상기 위치에 의거하여 상기 제1 및 제2 전극 사이에 배치되는 피측정물의 대전량을 측정하는 제2 측정부를 구비하는 것을 특징으로 하는 대전량 측정 장치가 제공된다. 또한, 내부의 기체를 배기할 수 있는 용기와, 상기 용기 내에 배치되는 제1 전극 및 이 전극보다도 전위를 낮게 설정할 수 있는 제2 전극과, 2개의 상기 전극 사이를 통과하는 하전빔을 출사하는 빔 출사부와, 상기 하전빔이 충돌하는 조사체와, 상기 조사체에 있어서의 상기 하전빔의 충돌 위치를 측정하는 제1 측정부와, 상기 충돌 위치에 의거하여 상기 제1 및 제2 전극 사이에 배치되는 피대전체의 대전량을 측정하는 제2 측정부를 구비하는 것을 특징으로 하는 대전량 측정 장치가 제공된다. 상기 대전량 측정 장치는 상기 하전빔이 통과하는 영역 중 적어도 일부에 자기장을 발생시키는 자기장 발생부를 구비할 수 있다. 또한, 본원 발명의 다른 태양에 따르면, 적어도 한 쪽의 전극에는 관통 구멍이 형성되어 있는 2개의 전극 사이에 배치되는 시료의 근방을 통과한 하전빔의 변위량을 측정하는 하전빔의 변위량 측정 장치이며, 내부의 기체를 배기할 수 있고, 상기 시료를 내부에 수납하기 위한 용기와, 한 쪽의 상기 전극에 형성된 상기 관통 구멍을 통과하고, 다른 쪽의 상기 전극과 충돌하도록 상기 하전빔을 출사하는 빔 출사부와, 상기 하전빔이 충돌하는 다른 쪽의 상기 전극에 있어서의 위치를 측정하는 측정부를 구비하는 것을 특징으로 하는 하전빔의 변위량 측정 장치가 제공된다. 상기 하전빔의 변위량 측정 장치는 상기 시료의 근방 및 두개의 상기 전극 사이를 통과하는 하전빔을 출사하기 위한 제2 빔 출사부와, 상기 하전빔이 충돌하는 조사체와, 상기 조사체로의 상기 하전빔의 충돌 위치를 측정하기 위한 제2 측정부를 구비할 수 있다.

명세서에 참조되고 그 일부분을 구성하는 첨부 도면은 본 발명의 양호한 실시예를 도시하며, 앞에서의 일반적인 설명과 이하의 양호한 실시예의 상세한 설명과 함께 본 발명의 원리를 설명하는 기능을 한다.

<제1 실시 형태>

이하, 본 발명의 실시 형태에 대해 도면을 이용하여 설명한다.

도1은, 본 발명에 관한 대전량 측정 장치(1)의 구성도이다. 측정 장치(1)는 광축이 거의 수직으로 교차하는 2개의 광학계를 구비하고 있다. 2개의 광학계는 각각 전자총과, 카메라 장치를 구비하고 있다. 여기서 편의적으로, 제1 광학계와 평행한 방향(종이면 상하 방향)을 Z축, 제2 광학계(종이면 좌우 방향)를 Y축, Y축 및 Z축에 수직인 방향(종이면 수직 방향)을 X축으로 정의한다.

이하, 각 구성 요소에 대해 설명한다.

챔버(2)는, 도시하지 않은 배기 수단(예를 들어 터보 분자 펌프 및 회전자 펌프)에 접속되어 있고 내부를 배기 가능하게 되어 있다. 제1 전자빔이 제1 전극판(8a)에 충돌하는 충돌 위치를 촬상할 수 있도록, 제1 전자총과, 챔버(2) 측벽에 배치되는 제1 관찰창(4a)과, 제1 카메라 장치(16a)와는 광축이 대략 일치하도록 배치되어 있고, 이들은 제1 광학계를 구성하고 있다.

또한, 제2 전자빔이 조사체(14)에 충돌하는 충돌 위치를 촬상할 수 있도록, 제2 전자빔을 출사하는 제2 전자총(6b)과, 제2 전자빔이 충돌하는 조사체(14)와, 챔버(2) 측벽에 배치되는 제2 관찰창(4b)과, 전자빔의 충돌 위치를 제2 관찰창(4b) 너머로 촬상하는 제2 카메라 장치(16b)와는 광축이 대략 일치하도록 배치되어 있고, 이들은 제2 광학계를 구성하고 있다. 조사체(14)는 투명한 유리판의 원판으로 형성되어 있고, 전자빔의 충돌 위치가 선명해지도록 제2 전자총(6b)에 대향하는 표면에는 형광체가 도포되어 있다.

제1 및 제2 전자총(6a, 6b)은 챔버(2) 내에 전자빔을 출사하는 기능을 갖고 있다. 제1 및 제2 전자총(6a, 6b)은, 각각 고온으로 가열함으로써 전자를 방출하는 헤어핀형의 텅스텐 필라멘트와, 방출된 전자빔에 수 eV로부터 수백 eV(큰 경우는 수십 keV)의 운동 에너지를 부여하는 가속 전극(애노드 전극)과, 전자빔을 수속시키기 위한 전자 렌즈(일반적으로는 정전식 또는 자기식의 것이 이용됨)와, 전자빔의 사이즈를 제어하는 애퍼쳐, 전자빔의 진행 각도를 제어하는 편향기와, 원형의 전자빔 단면의 변형을 제어하는 비점 수차 보정기 등의 일반적으로 알려져 있는 전자 광학 요소 부품을 구비하고 있다.

또한, 제1 및 제2 카메라 장치는 광학식 현미경과 그 광학상을 촬상하는 CCD 카메라를 구비한다. CCD 카메라로 촬상된 화상 데이터는 화상 처리 소프트웨어가 내장되는 PC[대전량 산출부(18)]에 출력되고, 화상 데이터에 의거하여 고체 절연물(IS)의 대전량이 산출된다.

도2는 제1 및 제2 전극판(8a, 8b)을 모식적으로 도시한 도면이다.

제1 전극판(8a)은 제1 카메라 장치(16a)에 의한 관찰이 가능하도록 유리 등의 투명 부재로 구성되어 있고, 전극 작용을 갖게 하기 위해 제2 전극판(8b)과 대향하는 측의 표면에는 ITO(Indium Tin Oxide) 등의 투명 전극막이 형성되어 있다. 전자빔이 조사되었을 때에 전자빔의 충돌 위치가 선명하게 발광하도록 투명 전극막의 표면에는 또 형광체가 도포되어 있다.

한편, 전극 작용을 갖게 하기 위해 금속으로부터 형성되는 제2 전극판(8b)에는 전자빔을 통과할 수 있도록 서로 직교하는 폭 수십 ㎛로부터 수백 ㎛의 선형의 슬릿(S1, S2)이 2개 절결되어 있다.

양 전극판(8)은, 예를 들어 챔버(2) 밖에 배치되는 고전압 전원(V)으로부터 리드선에 의해 제1 전극판(8a)이 정전위가 되도록 각각 전기적으로 접속되어 있고, 최대로 예를 들어 수십 ㎸의 전압이 인가 가능하게 되어 있다. 제2 전극판(8b)의 전위는 제1 전극판(8a)보다 낮게 설정할 수 있다.

상기 구성에 의한 대전량 측정 장치의 작용에 대해 이하에 설명한다.

우선, 시료로 이루어지는 고체 절연물(IS)이 전극판(8a, 8b) 사이에 위치된다. 고체 절연물(IS)의 재질로서는 그 용도에 의해 여러 가지 형상 및 재질인 것을 생각할 수 있다. 여기서는, 각 기둥에서 높이가 2 ㎜인 유리를 고전압의 전압판 사이에 위치시켰을 때에, 이 유리에 발생하는 대전량을 측정하는 것으로 한다. 도3은 고체 절연물(IS)과 전극판(8b)과의 위치 관계를 도시하고 있다. 상술한 바와 같이 제2 전극판(8b)에는 직교하는 2개의 선형인 전자를 통과하기 위한 슬릿(S1, S2)이 형성되어 있다. 여기에서는, 각 슬릿에 대응하여 2개의 고체 절연물(IS1, IS2)을 도시하지 않은 접합제를 통해 위치시키는 것으로 한다. 즉, 한 쪽 고체 절연물(IS1)은 슬릿(S1)에 대응하여 배치되어 있고, 구동 기구(10)에 의해 고체 절연물과의 거리를 여러 가지 변화시킨 경우에 있어서의 전자빔의 변화량을 측정함으로써 대전량 측정 정밀도를 향상시킬 수 있다. 다른 쪽 고체 절연물(IS2)은 슬릿(S2)과 소정 간격(L) 분리하여 배치되어 있고, 구동 기구(10)에 의해 X축 방향으로 이동시킨 경우에 있어서의 각 대전량을 측정함으로써, IS2의 XZ 평면에 있어서의 대전량 분포를 측정할 수 있다. 슬릿(S2)과 고체 절연물(IS2)과의 거리(L)는, 예를 들어 본 실시 형태에 있어서는 300 ㎛로 한다.

그 후, 제1 전자총(6a)으로부터 출사된 제1 전자빔이 슬릿(S2)을 통과하도록 구동 기구(10)를 이용하여 위치 맞춤을 행하고, 이어서 전극판 사이에 예를 들어 10 ㎸의 전압을 인가한다. 이하, 관찰계 마다의 대전량 측정 작용에 대해 설명한다.

[제1 관찰계]

도4는, 제1 관찰계에 의한 전자빔의 편향 모습을 모식적으로 도시한 도면인 제1 전자총(6a)으로부터 수백 eV의 운동 에너지로 출사된 전자빔은 챔버(2) 내를 Z축에 대략 평행하게 진행한다. 전극판 사이의 영역 이외는, 챔버(2) 내에 큰 전기장은 발생하지 않으므로, 전자빔은 직선적으로 진행하게 된다. 그 후 전자빔은, 슬릿(S1)을 통과하여 전극판(8) 사이의 영역에 진행한다. 상술한 바와 같이 전극판 사이에는 예를 들어 10 ㎸의 고전압이 인가되어 있으므로, 전자빔은 10 keV로 가속하면서 제1 전극판(8a)으로 진행한다. 그 한 쪽에서, 고체 절연물(IS)은 전극판 사이에서 일종의 컨덴서로서 기능하므로, 그 내부 및 표면에 정전하가 대전한다. 고체 절연물(IS)이 어떻게 대전하는가는, 고체 절연물(IS)의 물성 및 형상 등에 의해 여러 가지로 변화하지만, 일반적으로는 도4에 도시한 바와 같이 플러스의 전극측 표면에는 부전하가 축적되고, 마이너스의 전극측의 표면에는 정전하가 축적되는 경우가 많다. 이로 인해 고체 절연물(IS2) 근방에서는, 평행 전기장이 왜곡되고, 전자빔이 고체 절연물(IS2)측에 편향하여 제1 전극판(8a)에 충돌하게 된다. 충돌할 때, 충돌 위치는 발광하여 제1 카메라 장치(16a,청구항 제1항의 제1 측정부 및 청구항 제4항의 측정부에 상당함)에 의해 촬상된다.

빔 스폿의 시프트량(SH)은, 전혀 전기장을 작용시키지 않는 경우의 충돌 위치를 미리 촬상하고, 그 충돌 위치와 비교함으로써 측정하는 것이 가능해진다. SH를 측정하면, 평행 전계의 왜곡량, 즉 고체 절연물(IS2) 표면자의 대전량 분포를 측정할 수 있다.

이하, 대전량의 분포를 구하는 연산 처리에 대해 설명한다. 이하의 연산 처리는 대전량 산출부(18, 청구항 제1항의 제2 측정부 및 청구항 제2항의 제2 측정부에 상당함)에 의해 행해진다.

우선, 고체 절연물(IS2)의 표면의 대전량(C)에 대해, C = F1(z)로 정의한다. 즉, Z축 방향에 대해 대전량의 분포가 있다고 하여 대전량과 C를 Z의 함수로 정의한다. 여기서, F1의 분포 곡선은 이미 알려진 문헌이나, 대스케일(수십 ㎜ 수준 이상)의 고체 절연물에 대해 포켈스 효과 등을 이용하여 얻게 된 측정 결과 등으로 부터 측정할 수 있다. 지금, 그 분포 곡선이 (a0 + a1 × Z + a2 × Z² + …)인 (ai은 기지의 정수)라 하면,

[수학식 1]

C = K(a0 + a1 × Z + a2 × Z² + …)

로 표현할 수 있다. 여기서 K는 미지의 비례 정수이다.

한편, 시프트량(SH)에 대해,

SH = F2(C, L)

로 정의한다. 여기서, L은 슬릿 통과시에 있어서의 전자빔과 고체 절연물(IS2)과의 거리를 나타내고 있다. 상술한 바와 같이 본 실시예의 경우 L = 300 ㎛이다.

여기서, F2는 시프트량(SH)과 대전량(C)과의 함수로 나타내지만, 이 함수는 L을 정수로 하여 예를 들어 시뮬레이션에 의해 얻을 수 있다. 지금,

[수학식 2]

SH = (b0 + b1 × C + b2 × C² + …)

라고 한다(여기서 bi는 기지의 정수).

따라서, SH를 수학식 2에 대입하여 C를 산출하고, 이어서 수학식 1에 C를 대입하면, 미지의 비례 정수(K)를 산출하는 것이 가능해지며, 수학식 1에서 나타내는 고체 절연물(IS2) 표면의 Z축 방향의 대전량 분포의 측정이 가능해진다.

이상의 순서에 의해 고체 절연물의 대전량 분포를 측정할 수 있다. 특히 종래에서는 불가능하였던, 수 밀리미터 정도의 미소한 절연물의 대전량을 측정할 수 있다.

또, XY 평면에서의 측정 분해능은 슬릿 사이즈 및 전자빔의 스폿 사이즈의 작은 쪽으로 결정된다. 본 실시예의 경우 슬릿 사이즈는 수십 ㎛이지만, 전자빔 등 하전빔의 스폿 사이즈는 ㎛ 이하의 수준으로 조정할 수 있으므로, 고분해능으로의 측정이 실현 가능해진다.

또, 구동 기구(10)에 의해 X축에 평행하게 전극판(8a, 8b)과 일체적으로 고체 절연물(IS2)을 이동시킴으로써, XZ면내에 있어서의 고체 절연물 표면의 대전량 분포를 측정하는 것이 가능해진다.

또한, 마찬가지로 슬릿(S1)을 통과하여 고체 절연물(IS1) 근방을 통과하는 전자빔의 변위량 측정을 통하여 고체 절연물 표면의 대전량 분포를 측정할 수 있다. 이 경우는, 구동 기구(10)에 의해 Y축에 평행하게 전극판(8a, 8b)과 일체적으로 고체 절연물(IS)마다에 전극판을 이동시킴으로써, L을 바꿔 대전량 측정을 할 수 있다. 따라서, 다른 L마다 대전량 분포를 측정하여 그 분포를 평균화함으로써 측정 정밀도를 향상시킬 수 있다. 또한, L을 작게 해 가면, 전자빔이 고체 절연물(IS1)에 충돌하기 때문에 제1 전극판(8a)에서 발광이 생기지 않게 된다. 이 때 L을 여러 가지 형상의 고체 절연물에 대해 측정함으로써, 전기장에 대해 왜곡이 작은 고체 절연물의 형상을 용이하게 알 수 있다는 이점도 있다.

또, 본 실시 형태에 있어서 고체 절연물은 유리를 이용했지만, 이에 한정되는 것이 아니며 예를 들어 산화마그네슘, 알루미나 세라믹 등이라도 좋다. 또, 본 발명의 적용은 절연물에 한정되는 것이 아니며, 예를 들어 실리콘과 같은 반도체라 도 좋다.

<제2 실시 형태>

[제2 관찰계]

제1 실시 형태에 있어서, 고체 절연물(IS)의 표면 대전량(C)을 측정하는 데 있어, 대전량의 분포 곡선을

C = K(a0 + a1 × Z + a2 × Z² + …)

(단 ai는 정수)

로 추정하여 대전량을 측정하였다. 그러나, 고체 절연물(IS)의 형상이 특수하고 대전 분포 곡선의 추정이 곤란한 경우도 있다. 또한, 형상이 서로 상이해도 대스케일의 경우와 본 실시예와 같이 수 ㎜ 이하의 경우에서는 대전 분포 곡선이 다르다는 것도 생각할 수 있다.

이러한 경우는, 제2 관찰계 즉, 전자빔을 전극면과 대략 평행하게(Y축 방향으로) 진행시키는 측정계를 이용하여 고체 절연물(IS)의 Z축 방향의 대전량 분포 곡선을 측정할 수 있다.

이 측정시에, 제1 실시 형태에서는 이용되지 않았던 궤도 보정 장치(16)를 이용할 필요성이 있으므로, 우선 그 필요성에 대해 설명한다.

전계 중을 전자빔이 진행할 때에는, 그 전계에 의해 전자에 힘이 작용한다. 따라서 전극판(8) 사이를 전자빔이 진행하면, 전자빔은 정극인 제1 전극판(8a)측으로 편향한다. 이로 인해, 전자빔의 운동 에너지가 작은 경우나, 큰 전계를 작용시 킬 필요가 있는 경우는 전자빔이 제1 전극판(8a)에 충돌하기 때문에, 제2 관찰계를 이용하여 관찰하는 것이 곤란해진다. 따라서, 궤도 보정 장치(16)를 이용하여 자계를 발생시킴으로써 전자빔의 궤도를 보정하여, 조사체(14)에 충돌시킨다.

도5는, 궤도 보정 장치(17)의 일형태를 도시하고 있다. 이 도면에 도시된 바와 같이, U자형의 금속 부재(30)에 전자 코일(32)을 권취하여, 전극판(8) 사이의 영역에 X축 방향의 자계를 발생시킨다. Y축 방향(종이면 수직 방향)으로 진행하는 전자빔에 대해 X 방향(종이면에서 우측으로부터 좌측 방향)으로 자계를 발생시킴으로써 z의 마이너스 방향(종이면에서 상부로부터 하부 방향)으로의 힘이 작용하는 것이 되므로, 제2 전자빔이 제1 전극판(8a)에 충돌하는 것을 방지할 수 있다. 발생시키는 자계의 크기는, 전자빔에 가해지는 운동 에너지의 크기 및 전극 사이의 전계의 크기에 의거하여 적절하게 설정해야 한다. 이로 인해, 전자 코일(32)에 의해 자계를 발생시키는 방식이 자계의 크기를 조정 가능하여 편리하지만, 그 외의 수단으로도 좋고, 예를 들어 영구 자석을 이용하여 자계를 발생시켜도 좋다.

상기 구성 하에, 대전량의 Z축 방향 분포의 측정 방법에 대해 설명한다. 제2 전자총(6b)으로부터 출사된 전자빔은 대략 Y축 방향으로 평행하게 진행하여 전극판(8) 사이의 영역으로 진행해 간다. 이하 전자빔의 Z축 방향으로의 변화, X축 방향으로의 변화로 분리하여 차례로 설명한다.

(Z축 방향으로의 변화에 대해)

도6은, 제2 전자빔의 편향 모습에 대해 도시한 모식도이다.

전극판 사이에 있어서는, Z축의 마이너스 방향의 전계가 발생하고 있으므로, 제2 전자빔에는 Z축 방향 상방향의 힘이 작용하고 있다. 그 한 쪽에서, 이 영역에는 X축 방향의 플러스 방향으로의 자계가 발생하고 있으므로, 제2 전자빔에는 Z축 방향 하방향의 힘이 작용하고 있다. 그 결과, Z축 방향에 대해서는 양자의 합력에 의거하여 전자빔이 편향한다. 따라서, 도면에 도시된 바와 같이 본래는 궤도가 NC에 있었던 빔궤도(NC)는 C로 보정되어(플레밍의 왼손 법칙), 전극 사이를 통과할 수 있게 된다.

예를 들어, 양자의 힘이 대략 같도록 미리 조정하면, 전자빔은 Z축 방향에 대해서는 거의 변화하는 일 없이 진행하게 된다. 여기서, 금속 부재(30)의 양단부면을 충분히 크게 함으로써, 금속판 사이에 보통의 자계를 발생시키면, Z축 방향에 대해 전자빔에 작용하는 합력은 금속판 사이 중 어느 한 위치에 있어서도 대략 같게 되므로, 전자빔의 Z축 방향 제어를 용이하게 행할 수 있다.

(X축 방향으로의 변화에 대해)

제1 실시 형태에 있어서 설명한 바와 같이, 전극판 사이에 고전계를 발생시킴으로써, 고체 절연물(IS)의 표면에는 전하의 치우침이 발생한다. 이로 인해, 고정 절연물이 없으면 Z축 하방향의 보통의 자계였던 것이, 고체 절연물(IS)의 존재를 위해 전계가 왜곡하게 되며, 특히 고체 절연물(IS) 근방에서 큰 왜곡이 생겨, 그 결과 전자빔은 편향한다.

구체적으로는, 표면에 정전하가 축적되어 있을 때에는 전자빔은 그 정전하에 끌어당겨 지도록 편향하고, 표면에 부전하가 축적되어 있을 때에는 전자빔은 그 부전하와 떨어지도록 편향한다. 또한, 그 편향량은 대전량에 의거한다.

편향된 전자빔은 고체 절연물(IS)을 통과한 후, 조사체(14)에 충돌하여 발광을 생기게 한다. 제2 카메라 장치(16b,청구항 제2항의 제1 측정부 및 청구항 제5항의 제2 측정부에 상당함)에 의해 촬상되고, 그 촬상 신호가 하전량 산출부(18)에 산출되어 대전량이 산출된다.

예를 들어 전극판에 전압이 인가되어 있지 않고, 양 전극에 전위차가 없는 상태에 있어서의 조사체(14)로의 충돌 위치와 비교함으로써, 전자빔의 편향량(변위량)을 산출 가능하며, 이 전자빔의 변위량에 의거하여 대전량을 산출할 수 있다.

이하, 변위량(ε)에 의거하여 대전량을 산출하는 순서에 대해 설명한다.

전자빔의 변위량(ε)과 대전량(C)의 관계는

ε(Z) = G2(C, L)

로 표현된다. 여기서, L은 고체 절연물(IS)과, X축 방향으로의 편향이 없는 경우의 전자빔의 궤도와의 거리를 나타내고 있다(X축 방향으로의 빔 편향을 나타낸 도7을 참조). 또한, G2는 L 및 C와 변위량(ε)과의 관계를 나타낸 함수이지만 예를 들어 시뮬레이션에 의해 결정할 수 있다.

따라서, ε를 하기 식에 대입하여 C를 산출할 수 있다.

C = G2^-1[ε(Z)]

계속해서, 구동 기구(10)를 이용하여 Z축 방향으로 조금씩 이동시키면서 상기 변위량의 측정을 차례로 행함으로써 Z축 방향의 대전량 분포를 측정하는 것이 가능해진다. 단, 전자빔의 통과 위치가 제1 전극판(8a)에 근접함에 따라, 전자빔이 제1 전극판(8a)에 충돌할 가능성이 높아지므로, 발생시키는 자계의 크기를 적절 하게 변화시켜도 좋다.

또, 조사체(14)의 위치를 전극판의 위치와 떨어뜨림으로써, 빔 편향에 의거하여 변위량이 커지므로, 조사체(14)의 위치를 멀리 함으로써 고분해능으로 측정이 가능해진다.

또한, ITO막은 전자빔에 의해 발광 현상이 있으므로, 형광체 없이도 관찰할 수 있는 경우도 있다.

또한, 구동 기구(1O)에서 고체 절연물을 이동시키는 대신에, 빔을 이동시키는 기구로 해도 좋다.

또한, 충돌 위치와, 대전량을 대응시키는 데이터 베이스를 미리 작성해 두고, 변위량을 구하는 일 없이, 충돌 위치로부터 직접 대전량을 측정하는 구성으로 해도 좋다. 또한, 본 실시 형태에 있어서는 전위차가 있는 전극 사이에 고체 절연물을 위치시켜 그 고체 절연물의 근방에 전자빔을 통과시킴으로써, 고체 절연물의 대전량을 측정하였다. 이와 같이 함으로써, 하전도체의 지지물 등 전위차가 있는 물체 사이의 지지물로서 이용한 경우의 대전량을 측정할 수 있다.

또, 본 실시 형태에서는 피측정물은 2개의 전극 사이에 위치되었지만, 반드시 그럴 필요는 없다. 즉, 피측정물이 대전하고 있으면, 전극 사이에 위치되는지 아닌지에 관계없이 주위의 전기장은 피측정물의 대전의 영향에 의해 왜곡이 생기므로, 전극 사이에 위치시키지 않아도 피측정물 근방에 하전빔을 통과시킨 경우에는, 하전빔은 대전의 영향을 받아 편향한다. 따라서, 대전량을 측정할 수 있다.

또한, 제1 실시 형태에 있어서는 전기장의 방향(즉 정전위로부터 부전위의 방향)과 상대하도록 하전빔을 진행시켰다. 이와 같이 함으로써, 전계의 왜곡이 없는 경우는 하전빔은 대략 편향하는 일 없이 직진하게 된다. 이로 인해, 대전물이 존재하는 경우의 전계의 왜곡에 의한 영향이 보다 명확해지며 측정 정밀도가 향상된다는 효과가 있다. 그러나, 본 발명은 여러 가지 적용 가능하고, 예를 들어 기울어진 전계 속에서 하전빔을 진행시켜도 좋고, 동적으로 전계가 변화하는 속에서 하전빔을 진행시켜 측정을 행해도 좋다.

또한, 본 실시 형태에 있어서는 형광판에 닿은 빔 위치를 광학 현미경 등으로 관찰하여, 빔 위치를 CCD 카메라 검출 가능 방식을 이용했지만, 그 밖의 방식으로 전자빔의 충돌 위치를 측정해도 좋다. 예를 들어 MCP와 형광판 및 고체촬상 소자를 조합시킨 장치 및 핀홀(혹은 메쉬)과 페러데이컵을 이용하여 이것을 2차원 주사하여 전자빔 위치를 검출하는 방식 등, 전자빔 위치를 검출할 수 있는 방식이면 이용할 수 있다. 또, 전자빔의 조사 위치에 의거하여 전기적 신호를 출력하는 센서를 이용해도 좋다.

또한, 투명 전극막의 표면에 형광체를 도포하는 대신에, CRT와 같이 유리에 형광체를 도포하고, 그 위에 알루미늄백 코팅을 하는 방법도 있다. 또, 도전성의 형광체만을 이용하여 충돌 위치를 측정해도 좋다.

또한, 본 실시 형태에 있어서는 고체 절연물의 대전량을 측정하는 것을 하나의 목적으로 하였지만, 대전물이 주위에 부여하는 전계의 왜곡에 의거하는 전자빔의 편향 영향을 알고 싶은 경우는, 전자빔의 변위량의 측정에 대해 본 발명을 적용하고, 대전량의 산출 및 측정은 행하지 않더라도 좋다.

또한, 전자빔뿐만 아니라 이온빔 등 하전빔에서도 본 발명을 적용 가능하다.

또한, 본 실시 형태에서는 3차원에 구동 가능한 구동 기구를 이용하였지만, 또 회전 방향으로의 구동 기구를 이용해도 좋다. 예를 들어, Z축 주위에 회전 가능한 구동 기구를 이용해도 좋다. 이 경우, 고체 절연체의 모든 측면에 대해 대전량 분포를 용이하게 측정하는 것이 가능해진다. 이로 인해, 고체 절연체의 형상이 비대칭인 경우에 특히 효과가 크다.

또한, 슬릿의 형상은 선형에 한정되지 않으며, 예를 들어 둥근 구멍, 사각 등, 혹은 곡선이라도 좋고, 또 메쉬라도 좋다. 또한, 슬릿과 고체 절연물의 배치는 여러 가지 변형 가능하며, 예를 들어 Y축 방향에 평행한 선형 슬릿을 이용하면 YZ 평면의 분포를 측정해도 좋다. ± 전극은, 금속판과 투명 부재로 했지만, 전자빔이 투과하는 금속제나 반도체의 메쉬가 좋다. 또한, 투명 부재에 메쉬를 이용한 경우에는 그 후방쪽에 형광체 부착 유리나 페레데이컵을 배치하여 전자빔을 검출한다.

또, 면내 방향과 높이 방향의 2축의 측정계를 구비한 장치를 이용했지만, 1축의 측정계만을 구비하는 장치라도 좋다.

또한, 피측정물로서 포켈스셀을 이용하는 경우에는 제1 광학계와 포켈스 광학 측정계를 병용하는 장치를 이용해도 좋다.

또한, 전자총의 구성으로서 제1 및 제2 실시 형태에 있어서는 W 헤어핀에 의한 열전자를 이용한 전자총을 예시했지만, 열전계 전자총(TFE)이나 전계 전자총(냉음극 CFE)을 이용한 전자총도 이용할 수 있다. 또, 반도체 프로세스를 이용한 마 이크로 에미터를 이용한 전자총도 이용할 수 있다.

또한, 전극간 전계가 약한 경우, 또는 전자빔 에너지가 큰 경우(이 경우는 측정 감도가 낮아지지만)에서, 관찰계(2)의 전자빔이 자계 없이 상하 전극에 충돌하지 않고, 관통하는 경우에는 궤도 보정 장치를 생략할 수 있다.

또한, 측정 대상은 절연물에 한정되지 않으며, 절연물의 표면에 코팅 등을 실시한 부재 및 반도체에 대해서도 가능하다.

또한, 배기계에 대해서도, RP(로터리 펌프)와 TMP(터보 분자 펌프)의 배기계를 예시했지만, 펌프는 이에 한정되지 않으며, 흡착 펌프, 이온 펌프, 크라이요 펌프, 게터 펌프 등 어떤 것이라도 이용 가능하다. 또한, 내부의 가스 방출이 없는 경우에는 초기 배기 후, 밀봉 장치로 하여 측정도 가능하다.

또 다른 장점 및 변형은 이 기술 분야의 숙련자에 의해 용이하게 이루어질 것이다. 따라서, 광범위한 태양에서의 본 발명은 여기에서 도시되고 설명된 특정 상세 기술, 대표 장치, 실례에 제한되지 않는다. 따라서, 첨부된 청구범위에 기재된 바와 같은 전체적인 창작 개념의 정신 및 범위 내에서 다양한 변형이 이루어질 수도 있다.

본 발명에 따르면 미소 공간에 배치된 절연물(작은 경우에는 1 ㎜ 정도 이하의 것)의 표면 대전을 절연물의 재료 제한 없이 높은 분해능으로 측정할 수 있다.

Claims (5)

1. 내부의 기체를 배기할 수 있는 용기와,

   상기 용기 내에 하전빔을 출사시키는 빔 출사부와,

   상기 빔 출사부로부터 출사되는 하전빔이 충돌하는 위치에 배치되는 제1 전극과,

   상기 제1 전극과 상기 빔 출사부 사이에 배치되고, 상기 제1 전극보다도 전위를 낮게 설정할 수 있는 제2 전극과,

   상기 하전빔이 충돌하는 위치를 측정하는 제1 측정부와,

   상기 위치에 의거하여 상기 제1 및 제2 전극 사이에 배치되는 피측정물의 대전량을 측정하는 제2 측정부를 구비하는 것을 특징으로 하는 대전량 측정 장치.
2. 내부의 기체를 배기할 수 있는 용기와,

   상기 용기 내에 배치되는 제1 전극 및 이 전극보다도 전위를 낮게 설정할 수 있는 제2 전극과,

   2개의 상기 전극 사이를 통과하는 하전빔을 출사하는 빔 출사부와,

   상기 하전빔이 충돌하는 조사체와,

   상기 조사체에 있어서의 상기 하전빔의 충돌 위치를 측정하는 제1 측정부와,

   상기 충돌 위치에 의거하여 상기 제1 및 제2 전극 사이에 배치되는 피대전체의 대전량을 측정하는 제2 측정부를 구비하는 것을 특징으로 하는 대전량 측정 장 치.
3. 제2항에 있어서, 상기 하전빔이 통과하는 영역 중 적어도 일부에 자기장을 발생시키는 자기장 발생부를 구비하는 것을 특징으로 하는 대전량 측정 장치.
4. 적어도 한 쪽의 전극에는 관통 구멍이 형성되어 있는 2개의 전극 사이에 배치되는 시료의 근방을 통과한 하전빔의 변위량을 측정하는 하전빔의 변위량 측정 장치이며,

   내부의 기체를 배기할 수 있고, 상기 시료를 내부에 수납하기 위한 용기와,

   한 쪽의 상기 전극에 형성된 상기 관통 구멍을 통과하고, 다른 쪽의 상기 전극과 충돌하도록 상기 하전빔을 출사하는 빔 출사부와,

   상기 하전빔이 충돌하는 다른 쪽의 상기 전극에 있어서의 위치를 측정하는 측정부를 구비하는 것을 특징으로 하는 하전빔의 변위량 측정 장치.
5. 제4항에 있어서, 상기 시료의 근방 및 두개의 상기 전극 사이를 통과하는 하전빔을 출사하기 위한 제2 빔 출사부와,

   상기 하전빔이 충돌하는 조사체와,

   상기 조사체로의 상기 하전빔의 충돌 위치를 측정하기 위한 제2 측정부를 구비하는 것을 특징으로 하는 하전빔의 변위량 측정 장치.

Images